Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Биологическая рекультивация карьеров в условиях Крайнего Севера

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Биологическая рекультивация карьеров в условиях Крайнего Севера"

_На правах ру)<

Игловиков Анатолий Валерьевич

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕКУЛЬТИВАЦИЯ КАРЬЕРОВ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

06.01.02 - мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата сельскохозяйственных наук

Барнаул-2012

005014827

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тюменская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: заслуженный агроном РФ,

доктор сельскохозяйственных наук, с.н.с., Моторин Александр Севостьянович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

Андроханов Владимир Алексеевич

Ведущая организация: ГНУ НИИСХ Северного Зауралья СО РАСХН

Защита состоится «1»марта2012 года в 11:30 часов на заседании диссертационного совета ДМ.220.002.03 при ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет» 656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98, тел./факс 8 (3852) 62 83 96, E-mail: arrow64@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан 23 января 2012 г.

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Путивская Людмила Дорофеевна

Ученый секретарь диссертационного совета

Чернышева Н.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Промышленное освоение нефтегазовых месторождений Крайнего Севера, строительство здесь новых автомобильных и железных дорог увеличивает количество техногенно-нарушенных земель.

Особо остро вопрос увеличения площади нарушенных земель стоит на полуострове Ямал. Здесь насчитывается огромное количество карьеров, т.к. песок является основным материалом для сооружения площадок под буровые, строительства зданий, дорог, трубопроводов и других различных сооружений. В связи с расширением эксплуатации старых и освоением новых месторождений количество нарушенных нефтегазодобычей земель (песчаных карьеров с открытым типом добычи минерального грунта) официально составит на полуострове до 10% его общей площади (Зенько, 2001). Техногенные нарушения поверхности территории многолетнемёрзлых почв приводят к усилению криогенных и других геологических процессов, изменяющих ландшафт в нежелательном направлении.

Биологическую рекультивацию нарушенных земель в этой зоне только начинают. Здесь ещё нет необходимого производственного опыта и научно обоснованных рекомендаций по основным элементам технологии биологической рекультивации, что объясняет низкую эффективность выполняемых мероприятий. В связи с этим большое значение приобретает разработка агромелиоративных приёмов биологической рекультивации для стабилизации криогенных процессов на вечномёрзлых грунтах.

Цель исследований: разработать технологию создания биологически активного и устойчивого в условиях Крайнего Севера почвенно-растителыюго покрова, обеспечивающего стабилизацию криогенных процессов в карьерах.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих основных задач:

- изучить особенности гидротермических условий и питательного режима нарушенных грунтов;

- разработать приёмы повышения устойчивости травяного покрова за счёт рационального использования химических мелиорантов, минеральных и органических удобрений;

- провести подбор многолетних трав, устойчивых к неблагоприятным условиям Крайнего Севера;

- дать экономическую оценку приёмам биологической рекультивации карьеров в условиях Крайнего Севера.

Научная новизна. Впервые в условиях тундры и лесотундры (на примере ЯНАО) раскрыты особенности водного, температурного и питательного режимов нарушенных фунтов карьеров в связи с их биологической рекультивацией.

На основании проведённых исследований также впервые установлены особенности изменения физико-химических свойств и питательного режима грунтов при использовании минеральных удобрений, биоматов торфяных и ионообменного субстрата БИОНА.

Изучены особенности роста и развития многолетних трав в неблагоприятных почвенно-климатических условиях Крайнего Севера.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- фунты карьеров Крайнего Севера имеют неудовлетворительные гидротермические условия, физико-химические свойства и питательный режим для произрастания многолетних трав;

- формирование устойчивых почвенно-растительных покровов при биологической рекультивации грунтов зависит от агромелиоративных приёмов.

Практическая значимость. Разработанные агромелиоративные приёмы позволяют повысить эффективное плодородие грунтов и создавать устойчивые растительные покровы из многолетних трав.

Материалы работы использованы ООО НПП «Ямальская аграрная наука» при проведении биологической рекультивации нарушенных земель на площади 30 га.

Результаты исследований могут быть использованы при разработке рекомендации и проектов по биологической рекультивации нарушенных земель Крайнего Севера.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись на международных (г. Москва 2009 г., г. Курган 2009 г., г. Тюмень 2010 г.), региональных конференциях (г. Тюмень 2008, 2009, 2010 гг.) и на областных специализированных выставках АПК (г. Тюмень, 2009 и 2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, предложений производству, библиографического списка и приложений. Содержание работы изложено на 196 страницах печатного текста, включая 27 таблиц, 19 рисунков и 49 приложений. Библиографический список содержит 198 источников, из них 9 на иностранных языках.

Содержание работы

1 Обзор литературы

В главе обобщены результаты исследований по вопросу влияния техногенных факторов на устойчивость рельефа поверхности в условиях Крайнего Севера. Изложены требования многолетних трав к влажности почвы, действие низких температур на питательный режим почвы, особенности развития многолетних трав в условиях Крайнего Севера. Описаны агромелиоративные приёмы восстановления почвенно-растительного покрова нарушенных земель.

2 Характеристика объектов, условия проведения и методика исследований

Экспериментальная работа выполнена в зоне тундры на дне карьера намывного грунта 3-х годичной выработки Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения (далее БНГКМ) и в зоне лесотундры на дне песчаного карьера 15-летней выработки расположенного в 15 км от г. Салехарда.

Климатические особенности Крайнего Севера обусловлены географическим положением. Среднегодовая температура в зоне лесотундры -5°С, в зоне тундры -

7°С. Сумма эффективных температур в зоне лесотундры (выше +5°С) составляет 1100-1200°С (90 дней), в зоне тундры - 700-900°С (до 70 дней). Осадков выпадает 220-400 мм в год, из них 60% - в весенне-летний период. С глубины 50-200 см почва подстилается вечной мерзлотой.

Для выполнения поставленных задач нами было заложено по 2 полевых опыта на каждом объекте. Опыты закладывались в 3-4 кратной повторности. Конкретные схемы опытов приведены при изложении результатов.

На опытах выращивали многокомпонентную травосмесь: овсяница красная Festuca rubra - 40%, кострец безостый Bromopsis inermis - 35%, овсяница луговая Festuca pratensis - 10%, тимофеевка луговая Phleum pratense - 5%, пырей ползучий Elytrigia repens - 5%, мятлик луговой Роа pratensis - 3%, бекмания обыкновенная Beckmannia emeiformis - 2%.

Основные методы исследований: полевой и лабораторный. Водно-физические и физико-химические свойства изучали по методикам, общепринятым в почвоведении. Влажность фунтов 0,5 м слоя в течение вегетационного периода определяли термостатно-весовым методом, температуру на глубине 5, 10, 15, 20 см - термометрами Савинова. Валовые и подвижные формы питательных веществ проанализированы согласно общепринятым стандартам (Агрохимические методы исследования почв, 1975). Математическая обработка результатов опыта проведена способами вариационной статистики (Доспехов, 1972). Фенологические наблюдения за ростом и развитием многолетних трав по методике ГСУ. Экономическая оценка агромелиоративных приемов проведена при помощи программы Syn-genta 2010 06/RU.

3 Особенности гидротермических условий грунтов Крайнего Севера в связи с их биологической рекультивацией

Формирование режима влажности грунтов в зоне вечной мерзлоты.

Влажность грунтов в значительной степени зависит от количества осадков в течение вегетационного периода. При близком залегании вечной мерзлоты к поверхности влажность грунтов под влиянием осадков изменяется от переувлажнения в ранне-весенний и осенний периоды, до её дефицита летом (около 0,4 HB.) Одной из важных причин неустойчивого режима влажности грунтов является низкая влагоёмкость, обусловленная их легким гранулометрическим составом.

Мерзлота в условиях Крайнего Севера оказывает существенное влияние на режим влажности, она является её регулятором. В то время, когда осадков выпадает мало, она является барьером для передвижения влаги внизлежащие слои и атмосферная вода в течение долгого времени держится на уровне корнеобитаемо-го слоя, обеспечивая растения влагой на минимальном уровне. При большом количестве выпадающих атмосферных осадков влажность корнеобитаемого слоя возрастает до верхнего предела оптимальных запасов. На границе талого и мерзлого слоёв влажность практически всегда не опускается ниже величины наименьшей влагоёмкости. Под многолетними травами в корнеобитаемом слое практически всегда сохраняется высокая ёмкость поглощения осадков (20-25 мм). Поэтому под ними не бывает длительного переувлажнения.

Проведенные исследования позволили установить влияние биоматов торфяных (БМТ) на влажность песчаных грунтов (рис. 1). Торф, содержащийся в матах, задерж ивает в себе влагу, создавая более благоприятные условия увлажнения для появления всходов многолетних трав, их роста и развития. Замечено, что в сухие периоды различия по влажности между вариантами сокращаются, но всё равно остаются около 10%.

Рис. 1 - Запасы общей влаги в 0,3 м слое песчаных грунтов при использовании биоматов торфяных, мм (г. Салехард)

Температурный режим грунтов. Наблюдения за температурой намывного грунта в карьере проводились нами под многолетними травами, посеянными с нормами 40 и 280 кг/га (рис. 2). Исследованиями установлено, что в среднем за три года при норме высева 40 кг/га температура грунта на глубине 5 см составила 9,2°, 10 см - 8,8°, 15 см - 8,4° и 20 см - 7,9°С. Практически во все сроки наблюдений в течение вегетационного периода температуры были ниже оптимальных для роста и развития трав. Максимальное значение температуры не превышало 11,5°С. При норме высева 280 кг/га за этот же период температура грунта была ниже на 0,2-0,4°С.

в Контроле (б«з удобрений) □ N1S0P1B0K160 ■ БМТ + N160Р160К160

Рис. 2 - Температура 0,2 м слоя грунта БНГКМ при различных нормах высева семян многолетних трав (среднее за 2008-2010 гг.)

Глубоко промерзшие грунты Крайнего Севера медленно оттаивают, что сдерживает их прогревание. Постоянное близкое наличие мерзлоты к поверхности приводит к тому, что тесная связь между количеством солнечной радиации в вегетационный период и степенью прогреваемости грунта имеется лишь в самой верхней части профиля. Средние коэффициенты корреляции между температурой воздуха и фунта за трехлетний период при минимальной норме высева выглядят

следующим образом: на глубине 5 см - г = 0,71, 10 см - г = 0,69, 15 см - г = 0,54, 20 см - г = 0,50. Аналогичная связь по профилю установлена и при максимальной норме высева. Количественно на глубине 5 и 10 см она несколько ниже, соответственно г = 0,67 и г = 0,63. На глубинах 15 и 20 см на обоих вариантах опыта в среднем за три года коэффициенты корреляции не различались между собой. Температура подпахотных горизонтов в большей степени зависит от зимнего запаса холода.

Глубина оттаивания грунтов составляет 44-54 см и практически не зависит от нормы высева многолетних трав. Определяющую роль играет среднесуточная температура воздуха. Этот вывод подтверждается коэффициентом корреляции между температурой воздуха в течение вегетационного периода и величиной оттаивания грунта, который составил г = 0,81 на делянках с нормой высева 40 кг/га и г =0,90-280 кг/га.

4 Физико-химические свойства и питательный режим грунтов Крайнего Севера

Влияние минеральных удобрений на физико-химические свойства и питательный режим грунтов в условиях тундры. Исследования показали, что содержание гумуса в грунтах БНГКМ очень низкое на протяжении четырех лет проведения полевого опыта (табл. 1). Внесение минеральных удобрений увеличивает содержание гумуса на всех вариантах. Максимальное повышение содержания гумуса по вариантам опыта установлено на четвертый год жизни многолетних трав. Объясняется данный факт медленным разложением фитомассы многолетних трав при низких температурах воздуха и грунта. Зависимость между дозой внесения удобрений и содержанием гумуса в 0,3 м слое грунта подтверждена коэффициентом корреляции, который составил в 2008 г. - г = 0,70, 2009 г. - г = 0,79, 2010 г. - г = 0,96. Следует отметить, что изменение содержания гумуса произошло практически только в 0,2 м слое грунта. Именно в этом слое, как показали исследования, сосредоточено около 80% массы корней многолетних трав.

В результате внесения высоких доз минеральных удобрений существенно возросла обменная кислотность грунта. Самое заметное подкисление по всему 0,3 м слою произошло на фоне ЫгмРгюК-гю- При этом максимальные различия (0,7 ед. рН) были установлены в первый год после внесения удобрений. В последующие годы различия по вариантам в кислотности снизились практически в 2 раза и не превышали 0,3-0,4 ед. рН.

Важно отметить, что намывные грунты, используемые при обустройстве нефтегазовых месторождений полуострова Ямал, имеют близкую к нейтральной реакцию среды и низкую гидролитическую кислотность. Это обстоятельство существенно отличает их от тундровых почв, для которых характерна высокая кислотность. В связи с низкой кислотностью отпадает необходимость в известковании при проведении биологической рекультивации грунтов карьеров.

Основным лимитирующим элементом в питании растений на северных почвах является азот. В грунтах БНГКМ установлено низкое содержание валовых (0,04-0,06%) и подвижных форм азота. Без внесения удобрений содержание нитратного азота в 0,3 м слое в среднем за три года составило 1,8 мг/кг (рис. 3).

Азотные удобрения являются основным источником азота для многолетних трав при рекультивации намывных грунтов. При внесении NPK по 90 кг д.в./га нитратов содержалось в среднем за три года исследований 2,0 мг, 150 кг/га - 2,25 мг, 210 кг/га - 3,6 мг/кг. Максимальное количество нитратов на удобренных делянках установлено в конце вегетационного периода, что связано, очевидно, с усилением деятельности нитрифицирующих бактерий при повышении температуры грунта.

Таблица 1 - Физико-химические свойства грунтов БНГКМ при внесении минеральных удобрений

Гумус, % рн (сол.) Нг s

мг-экв. 100 г почвы

Варианты Глубина, с с U с и U с

опыта см о о О о t^ О 0 00 о О

00 о 0\ о оо о о 00 о С\ 0 OÑ о On О

о — о О г-

Контроль (без удобрений) 0-10 0,8 1,0 6,8 6,4 0,9 0,5 7,1 6,2

10-20 0,8 0,9 6,6 6,3 1,1 1,0 7,2 7,3

20-30 0,7 0,8 6,7 6,3 1,0 1,0 9,8 8,2

N90P 90К90 0-10 0,8 1,2 6,8 5,9 0,9 0,8 7,2 6,2

10-20 0,8 1,0 6,6 6,2 1,1 0,6 7,7 8,7

20-30 0,7 0,9 6,7 6,2 1,0 0,9 7,7 9,2

NisoP 150K1S0 0-10 0,8 1,2 6,8 6,2 0,9 0,8 7,2 5,7

10-20 0,8 1,0 6,6 5,9 1,1 0,7 8,7 9,2

20-30 0,7 0,9 6,7 5,8 1,0 0,8 9,8 10,5

N2ioP2ioK:io 0-10 0,8 1,4 6,8 5,4 0,9 0,6 6,1 8,1

10-20 0,8 1,1 6,6 6,2 1,1 0,7 10,7 10,3

20-30 0,7 0,9 6,7 6,0 1,0 0,8 11,5 10,5

Закладка опыта, фаза кущения. Перед уходом в фаза кущения, Перед уходом в фаза кущения. Перед уходом в 2007 г. 2008 г. зиму, 2008 г. 200Э г. зиму, 2000 г. 2010 г. зиму, 2010 г.

|" — Контроль {баз удобрений) - - -N90P90K90 — - N150Р150К150 -- - N2". СР210К210

Рис. 3 - Содержание нитратного азота в 0,3 м слое грунта БНГКМ при внесении минеральных удобрений, мг/кг

Между содержанием нитратного азота в 0,3 м слое грунта и дозами минеральных удобрений имеется тесная связь, выраженная коэффициентами корреляции от г = 0,72 до г = 0,98.

Во все сроки определения по годам максимальное количество нитратного азота отмечено на глубине 20-30 см. Все это указывает на миграцию нитратного азота в легких по гранулометрическому составу грунтах. Увеличение нормы высева многолетних трав с 40 до 280 кг/га на фоне N150Pi5oKi5o снижает содержание нитратного азота на глубине 20-30 см в два раза. Содержание минерального азота в аммонийной форме ниже, чем нитратного. Отмеченная особенность обусловлена гидротермическим режимом грунтов при котором многолетние травы лучше усваивают аммиачный азот.

Валовое содержание фосфора в намывных грунтах БНГКМ также очень низкое - 0,071-0,087% от абсолютно сухой почвы. Низкие запасы фосфора в грунтах предопределяют высокую эффективность фосфорных удобрений (рис. 4). Содержание подвижного фосфора в среднем за три года без внесения удобрений в 0,3 м слое составило 1,4 мг/100 г почвы. Во все сроки определения его минимальное количество установлено в слое 0-10 см (1,1-1,3 мг/100 г). Объясняется это потреблением фосфора многолетними травами. На глубинах 10-20 и 20-30 см его содержание было практически одинаковым, что указывает на хорошую закреп-ляемость фосфора.

2.S 2.3 2,1

& 1.5

8 1,з 5 1.1

0.0 0.7 0,5

Перед Фаза кущения. Перед уходом Фаза кущений. Перед уходом Фаза кущения. Перед уходом закладкой 2008 г. в зиму, 2008 г. 2009 г. в зиму. 2009 г. 2010 г. а зиму, 2010 г.

опыт, 2007 г.

__________ i

| 'Контроль (Саз удобрений) — -N90P8DK90 - - ■ N150Р150К150 — - N210P21 0К2Ю ] Í

___________i

Рис. 4 - Содержание подвижного фосфора в 0,3 м слое грунта БНГКМ при внесении минеральных удобрений, мг/100 г почвы

Внесение минеральных удобрений обеспечило повышение содержания подвижного фосфора в среднем за три года исследований по сравнению с контролем на 14,3% (N90P90K90), 28,5% (Ni50Pi5oKi5o), 35,7% (N210P210K210). Между содержанием подвижного фосфора и дозами минеральных удобрений имеется тесная связь. К концу вегетационного периода многолетних трав четвертого года жизни прослеживается тенденция снижения содержания подвижного фосфора на всех вариантах опыта.

Увеличение нормы высева многолетних трав с 40 до 120 кг/га повышало потребление подвижного фосфора многолетними травами на 21,1%, до 280 кг/га-на 26,3%.

Намывные грунты БНГКМ содержат относительно большие запасы валового калия (0,42-0,54%). Это очень положительный момент, т.к. «калий повышает холодостойкость растений и делает их способными расти при низких температурах» (Коровин, 1972).

На неудобренных делянках содержание подвижного калия в 0,3 м слое грунта в среднем за три года составило 7,6 мг/100 г. К концу вегетации многолетних трав 4 года жизни количество подвижного калия сократилось с 12,8 до 7,6 мг/кг. При этом минимальное содержание калия находилось в 0,1 м слое -5,1 мг/100 г, что связано с потреблением его травами.

Калийные удобрения существенно повышают содержание подвижного калия в грунтах (рис. 5). Внесение ЫРК по 90 кг д.в./га увеличивает содержание подвижного калия в 0,3 м слое в среднем за три года с 7,6 до 13,4 мг (76,3%), ^зоР^оКно - До 14,8 мг (94,7%), Ы210Р210К210 - до 15,4 мг/100 г (102,6%). Минимальное накопление калия на глубине 20-30 см происходит на варианте с максимальной нормой высева многолетних трав.

Перед знслдоой 4*м кущвяиа. Перед уходом в в>аш «ушекяа. опыта. 2007 г. 2008 г. зиму. 2008 г. 2Q09 г. Перед уходом ■ Яму. 2009 г 2010 Т. Перед уходом ■ во«у,2010 г.

| ...... Контроль (ба у дсбракяй) —~— - N90P&0K9Q — »■ * N1 50Р150К15 О — -N210P210K210 |

Рис. 5 - Содержание подвижного калия в 0,3 м слое грунта БНПСМ при внесении минеральных удобрений, мг/100 г почвы

Физико-химические свойства и питательный режим песчаных грунтов при использовании минеральных удобрений и биоматов торфяных в условиях лесотундры. В результате применения биоматов торфяных (БМТ) в сочетании с минеральными удобрениями содержание гумуса в 0,2 м слое увеличилось через три года по сравнению с контролем с 0,2 до 0,6% (табл. 2).

На глубине 20-30 см его количество не изменилось. Использование минеральных удобрений в чистом виде также обеспечило хороший результат. При этом количество гумуса возросло в два раза по сравнению с контролем. Следует отметить, что при совместном использовании БМТ и минеральных удобрений содержание гумуса увеличивается за короткий срок. При внесении только минеральных удобрений его количество возрастает более низкими темпами. Происходит постепенное подкисление песчаного грунта на всех вариантах опыта, что может быть связано с выносом обменных оснований многолетними травами.

Грунты песчаного карьера содержат в 0,3 м слое нитратного азота 0,3 мг/кг. В результате внесения №К по 160 кг д.в./га содержание нитратного азота увеличилось в 0,3 м слое практически в 2 раза (рис. 6). Максимальное количество нитратного азота наблюдалось на делянках, где использовались биоматы торфяные в сочетании с минеральными удобрениями. Здесь в среднем по всем срокам определения в 0,3 м слое грунта содержалось нитратов выше контроля в 6,3 раза. Биоматы торфяные обеспечивают накопление нитратного азота главным образом в 0,1 м слое.

Таблица 2 - Физико-химические свойства песчаных грунтов при использовании минеральных удобрений и БМТ (г. Салехард)

Варианты опыта Глубина, см Гумус, % рн (сол.) Нг | S

мг-экв. 100 г почвы

5.08.08 г. 1.09.09 г. 2.09.10 г. 5.08.08 г. 1.09.09 г. 2.09.10 г. 1 | 5.08.08 г. 1.09.09 г. 2.09.10 г. 5.08.08 г. 1.09.09 г. 2.09.10 г.

Контроль (без удобрений) 0-10 0,1 0,2 0,2 6,0 6,0 5,6 0,5 1,1 1,2 10,4 12,4 12,1

10-20 0,1 0,2 0,2 5,8 5,8 5,4 0,5 1,0 1,1 9,9 12,3 10,0

20-30 0,1 0,1 0,1 6,0 6,0 5,6 0,5 1,0 1,0 6,0 10,0 10,3

N160P160K.16 0 0-10 од 0,4 0,6 6,0 6,0 5,6 0,5 1,9 1,8 10,4 13,3 12,3

10-20 0,1 0,3 0,2 5,8 5,4 5,4 0,5 1,6 1,5 9,9 10,2 10,5

20-30 0,1 0,1 0,1 6,0 5,8 5,8 0,5 1,8 1,7 6,0 7,5 10,2

БМТ + N¡6oPj6oKi6 0 0-10 0,1 0,5 0,9 6,0 5,8 5,4 0,5 1,4 1,6 10,4 10,8 16,0

10-20 0,1 0,5 0,4 5,8 5,8 5,8 0,5 1,4 1,4 9,9 10,0 12,8

20-30 0,1 0,1 0,1 6,0 5,8 5,4 0,5 1,2 1,6 6,0 6,0 11,0

Закладка Перед Начало Фша Парад Начало Ф«ы Парад

опыта. 200S г. ухедом я вегетации. кущения. уходом в вагагта^чн, кущения. уходом в зиму, 2ОО0 Г. 2009 г. 2009 г. аиму. 20QQ г. 2010 Г. 2010 г. Зиму, 2010 г.

Г Контроль (баа удобрений) - - Nie0P160K1~S0 - - - БМТ + Nie0P16OKie0 ]

Рис. 6 - Содержание нитратного азота в 0,3 м слое грунта песчаного карьера при внесении минеральных удобрений и применении биоматов торфяных, мг/кг

(г. Салехард)

Все годы исследований наблюдалось очень низкое содержание аммиачного азота. При внесении минеральных удобрений количество аммиачного азота увеличивалось до 0,04-0,05 мг/кг. Использование биоматов торфяных в сочетании с минеральными удобрениями обеспечивало наличие в грунте аммиачного азота в количестве 0,06-0,08 мг/кг. На контрольных делянках и при внесении минеральных удобрений в чистом виде распределение аммиачного азота в 0,3 м слое было равномерное. При использовании биоматов торфяных его на 20-28,6% было больше в 0,1 м слое.

Содержание доступного фосфора в 0,3 м слое перед закладкой опыта составляло 0,5 мг/100 г почвы (рис. 7). При этом количество фосфора в 0,1 м слое было в 2,5-3 раза выше, чем на глубине 10-20 и 20-30 см.

Внесение минеральных удобрений увеличило содержание доступного фосфора в 0,3 м слое в среднем за три года по сравнению с контролем с 1,3 до

1,7 мг/100 г почвы (30,8%). Использование биоматов торфяных в сочетании с минеральными удобрениями повысило количество подвижного фосфора в 0,3 м слое в среднем за три года с 1,3 до 2,17 мг/100 г почвы (66,9%). Связано это с содержанием фосфора в торфе, где его количество составляло 14 мг/100 г почвы. Именно по этой причине во все сроки определения наибольшее количество фосфора установлено в слое 0-10 см, т.е. там, где был торф. Между содержанием доступного фосфора в 0,3 м слое грунта и минеральными удобрениями, биоматами торфяными имеется тесная связь, выраженная коэффициентами корреляции от г = 0,58 до г = 0,97.

П»р*д у» дом » •вкладкой аиму, 2008 г. опыта. 2008 г.

—Коуттроп» (6*» удеСр«нмй)

Я160Р160К160

- •• 'БМТ+ Ы1вОР1вОК1вО

Рис. 7 - Содержание доступного фосфора в 0,3 м слое грунта при внесении минеральных удобрений и применении биоматов торфяных, мг/100 г почвы (г. Салехард)

Перед закладкой опыта содержание подвижного калия в слое 0,3 м составляло 3,0 мг/100 г почвы. По мере роста и развития многолетних трав на контрольных делянках его количество сократилось практически в два раза (рис. 8).

Перед Л вред уходом Начало Фаэя кущвиия, Пераддодом Нимало Фа»а кущения. Пеоедуиодом

закладной ваиму.200вг. отрастания. 200В г. я>иму.200вг. отрастания. 2010г. вэнму.2О10г.

опыта. 2000 г. _2009 г. 2010 г.

---контроль (вез удобрений) - Ы1в0Р1в0К160 - - • БМТ* М1бОР1вОК1вО

Рис. 8 - Содержание подвижного калия в 0,3 м слое грунта песчаного карьера при внесении минеральных удобрений и применении биоматов торфяных, мг/100 г почвы (г. Салехард)

Использование биоматов торфяных совместно с минеральными удобрениями повысило содержание подвижного калия по всему 0,5 метровому слою грунта.

Если при внесении Ы^оР^оКш в среднем за три года количество подвижного калия составило 9,7 мг/100 г почвы, то при использовании БМТ в сочетании с удобрениями его содержание возросло до 11,1 мг/100 г почвы (14,2%). Основная часть калия находится в подвижной форме и сосредоточена в 0,3 м слое (61%).

Физико-химические свойства и питательный режим песчаных грунтов при внесении ионообменного субстрата БИОНА в условиях лесотундры. В течение трёх лет нами впервые в условиях Крайнего Севера были проведены исследования по эффективности субстрата БИОНА-111 (далее БИОНА).

Исследованиями установлено повышение содержания гумуса, особенно при внесении субстрата БИОНА в количестве 12 т/га (табл. 3). Через три года после внесения субстрата содержание гумуса возросло в 0,3 м слое грунта с 0,1 до 0,5% (4 т/га), 0,9% (12 т/га). В результате внесения субстрата БИОНА обменная и гидролитическая кислотность грунта почти не изменились. На прежнем уровне практически сохранилась сумма обменных оснований.

Таблица 3 - Физико-химические свойства песчаного грунта при внесении субстрата БИОНА (г. Салехард)

Варианты опыта Глубина, см Гумус, % рН (сол.) Нг | 8

мг-экв. 100 г почвы

¡5.08.08 г. 1.09.09 г. 2.09.10 г. 5.08.08 г. 1.09.09 г. и о р сч" 5.08.08 г. 1.09.09 г. 2.09.10 г. 5.08.08 г. 1.09.09 г. 2.09.10 г.

Контроль (без удобрений) 0-10 0,1 0,2 0,2 6,0 6,0 6,0 0,5 1,6 1,6 10,4 12,4 11,3

10-20 0,1 0,1 0,2 5,9 5,8 5,8 0,5 1,6 1,6 9,9 12,3 11,2

20-30 0,2 0,2 0,1 6,0 6,0 5,8 0,5 1,2 1,4 6,0 10,0 11,0

БИОНА 4 т/га 0-10 0,1 0,4 0,9 6,0 6,0 5,8 0,5 1,9 1,8 10,4 13,3 12,2

10-20 0,1 0,3 0,5 5,9 5,8 5,6 0,5 1,6 1,4 9,9 10,2 10,2

20-30 0,2 0,3 0,2 6,0 5,8 5,6 0,5 1,8 1,2 6,0 7,5 9,8

БИОНА 12т/га 0-10 0,1 0,6 1,2 6,0 6,0 6,0 0,5 1,9 1,6 10,4 12,7 11,8

10-20 0,1 0,4 0,9 5,9 6,4 5,8 0,5 1,6 1,6 9,9 10,9 10,0

20-30 0,2 0,3 0,6 6,0 5,8 5,8 0,5 1,8 1,7 6,0 10,4 9,9

Внесение субстрата БИОНА в количестве 4 т/га повысило содержание нитратного азота в 0,3 м слое грунта по сравнению с контролем в среднем за три года с 0,15 мг до 0,51 мг/кг. Увеличение дозы субстрата БИОНА до 6 т/га привело к росту нитратов до 0,72 мг/кг, 12 т/га - до 0,88 мг/кг. Между содержанием нитратного азота в 0,3 м слое грунта и дозами субстрата БИОНА имеется очень тесная связь, выражающаяся коэффициентами корреляции от г = 0,91 до г = 0,99.

Содержание аммиачного азота в песчаном грунте на всех вариантах опыта на порядок меньше, чем нитратного. Внесение субстрата БИОНА увеличивает его количество в 8-12 раз по сравнению с контролем.

Внесение 4 т/га субстрата БИОНА способствовало повышению содержания доступного фосфора в 0,3 м слое по сравнению с контролем в 1,4 раза, 6 т/га - в 1,6 раза, 12 т/га - в 1,8 раза (рис. 10). При этом на варианте с внесением 4 т/га субстрата БИОНА количество фосфора возросло главным образом в 0,2 м слое.

Увеличение дозы внесения субстрата до 6-12 т/га привело к росту содержания доступного фосфора в 0,3 м слое. Наблюдается тенденция снижения содержания фосфора, особенно на третий год после внесения субстрата БИОНА. Сокращение фосфора обусловлено его потреблением многолетними травами.

Закладка Парад Начало Фаза Перед Начало Фаза Перед

опыта. 2008 г. уходом в вегетации, кущения, уходом в вегетадот, кущения, уходом в зиму, 2СЮВ г. 2009 г. 2009 г. зиму. 2009 г. 2010 г. 2010 г. зиму, 2010 г.

| —— Контроль (без удобрений) — -БИОНА4тЛв ~ - - БИОНАв т/га - -БИОНА12т/тя

Рис. 9 - Содержание нитратного азота в 0,3 м слое песчаного грунта при внесении субстрата БИОНА, мг/кг (г. Салехард)

зекгадкой зиму,200вг. отрастания, 2009Г. эиму.2009т. отрастания, 2010г. зиму, 2010 г.

| ——— контроль (базгаоерений) — —БИОНА4 т/га - - ■ БИОМА6тЛа — -БИОНА12т/ге |

Рис. 10 - Содержание доступного фосфора в 0,3 м слое грунта при внесении субстрата БИОНА, мг/100 г почвы (г. Салехард)

Перед Перед уходом Начало Фаза кущения. Перед уходом Начало фаза кущения. Перед уходом закладкой взиму, 2008г. отрастания, 2009г. • зиму, 2009г. отрастания. 2010г. в зиму, 2010г. опыта, 2008 г. 2009 г. 2010 г.

»Контроль (бе» удобрений) — -БИОНАДт/г» - - гБИОНАбт/га к БИОНА 12 т/г»

Рис. 11 - Содержание обменного калия в 0,3 м слое грунта при внесении субстрата БИОНА, мг/100 г почвы (г. Салехард)

Использование субстрата БИОНА кардинально меняет ситуацию с калием. Так, внесение 12 т/га субстрата повышает содержание обменного калия в 0,3 м слое с 3,5 мг до 14,5 мг/100 г почвы, т.е. до средней обеспеченности (10-15 мг/100 г почвы). На этом варианте в среднем по срокам определения в годы исследований количество обменного калия в слое 0-10 см было выше по отношению к контролю в 5 раз, 10-20 см и 20-30 см - в 4,1 раза. К концу третьего года после внесения 12 т/га субстрата БИОНА содержание обменного калия снижается в слое 0-10 см на 15%, 10-20 см - на 15,8%, 20-30 см - на 21,6% (рис.11). Аналогичная ситуация складывается на делянках, где дозы субстрата БИОНА составляли 4 и 6 т/га.

5 Влияние агромелиоративных приёмов на рост и развитие многолетних трав в условиях Крайнего Севера

Развитие фитоценоза многолетних трав в зависимости от уровня минерального питания. В результате проведенных фенологических наблюдений установлено, что всходы многолетних трав без внесения удобрений очень неравномерные и появляются на 7-10 дней позднее. До конца вегетационного периода травы находятся в фазе всходов, в то время как на удобренных вариантах - в фазе кущения.

На контрольных делянках при температуре воздуха и осадках, превышающих среднемноголетние значения, многолетние травы развиваются до фазы начала цветения и достигают высоты 35-40 см. При внесении минеральных удобрений высота трав возрастает до 50 см, развитие к концу вегетационного периода - до фазы спелости. Увеличение дозы минеральных удобрений с 90 до 210 кг д.в./га повышает высоту многолетних трав на 15-20 см и почти не влияет на сроки прохождения фенофаз.

Минеральные удобрения увеличивают количество растений на 1 м2 по сравнению с контролем в 2,6-6,3 раза (табл. 4). Проективное покрытие на контрольных делянках в конце 4 года жизни многолетних трав не превышало 50%, на всех вариантах с удобрениями 95-100%.

Таблица 4 - Количество растений на 1 м2 и масса корневой системы многолетних трав в 0,2 м слое грунта БНГКМ при внесении минеральных удобрений

Варианты опыта Количество растений, шт./м2 Масса корней, т/га

2008 г. 2009 г. 2010 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г.

Контроль (без удобрений) 450 476 401 0,19 0,22 0,23

N90 Р90 К90 1190 1237 1987 0,42 0,46 0,48

^150 Р150 Кш 1640 1812 2011 0,50 0,52 0,55

N2]» Р210 К.210 2560 2623 2549 0,56 0,65 0,69

НСРп, 420 466 269 0,04 0,03 0,04

Основная масса корней многолетних трав (75%) сосредоточена в слое 0-10 см, а на глубине 10-20 см до 20%. Остальная часть корневой системы располагается в слое 20-30 см и составляет не более 5%. Наибольшая величина биомассы

корней в 0,2 м слое обнаружена при внесении максимальной дозы минеральных удобрений во все годы проведенных исследований. В среднем за три года на этом варианте накопилось 0,63 т/га сухой биомассы корней, что выше чем на контроле в три раза. Важно отметить, что интенсивное развитие корневой системы на удобренных делянках происходит уже в первый год. Активное формирование корневой системы обеспечивает укрепительный эффект в течение короткого срока.

Отмечена тенденция повышения корневой массы в последующие годы. Максимальный прирост массы корней установлен на варианте ИгюРгюКгю в 2009 г. Этому способствовали относительно благоприятные гидротермические условия в сочетании с достаточной обеспеченностью питательными элементами.

Рост и развитие многолетних трав при различных нормах высева. Нормы высева семян (40, 120 и 280 кг/га) на одинаковом фоне минеральных удобрений О^оРноК^о) не оказали значительного влияния на прохождение фенофаз многолетними травами. Количество растений напрямую зависело от нормы высева многолетних трав (табл. 5). В соответствии с изменением численности растений изменяется и проективное покрытие с 70 до 100%.

Таблица 5 - Количество растений на 1 м2 и масса корневой системы многолетних трав в 0,2 м слое грунта БНГКМ в зависимости от норм высева

Варианты опыта Численность растений, шт./м2 Масса косней, т/га

2008 г. 2009 г. 2010 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г.

40 кг/га 920 1121 1011 0,33 0,39 0,45

120 кг/га 1300 1424 1448 0,49 0,50 0,53

280 кг/га 1580 1609 1598 0,50 0,51 0,54

НСРо.5 245 532 486 0,04 0,06 0,05

Увеличение норм высева многолетних трав с 40 кг до 120 кг/га давало существенную прибавку массы корней. Дальнейшее повышение нормы высева не оказывало значительного влияния на массу корней. При низкой норме высева формирование массы корней происходит постепенно, достигая своего максимума к концу третьего года жизни. Основная часть массы корней при высоких нормах высева формируется в первый год жизни трав, обеспечивая короткий срок наступления укрепительного эффекта.

По итогам четырёх лет исследований установлено, что в условиях Крайнего Севера наиболее надежно проявили себя такие виды трав как мятлик луговой, овсяница красная, лисохвост луговой и тимофеевка луговая. После второй перезимовки полностью выпали кострец безостый, овсяница луговая и пырей ползучий.

Формирование устойчивого травяного покрова при использовании биоматов торфяных. При использовании биоматов торфяных укрепительный эффект наступает сразу после их укладки. В результате чего прекращается раздувание мелкодисперсных песков, о чем свидетельствуют результаты наблюдений. Применение минеральных удобрений и биоматов торфяных ускоряют прохождение фенофаз многолетними травами на одну-две недели. Недостаток питательных элементов отрицательно сказывается на появлении и развитии всходов, весеннем отрастании многолетних трав. Высота трав на контрольном варианте не превышала 20-25 см, они имели светло-зелёную окраску. На удобренных делянках травы

достигали высоты 55-60 см и заканчивали вегетационный период в фазе цветения-созревания. Внесение минеральных удобрений как в чистом виде, так и совместно с биоматами торфяными способствовало интенсивному кущению многолетних трав, что подтверждается количеством растений на 1 м2 (табл. 6).

Проективное покрытие на контрольных делянках не превышало 20-30%, на удобренных 90-100%. Исключение составляет 2008 г., когда из-за отсутствия осадков в течение июля кущение трав было очень слабым.

В результате наблюдений за развитием корневой системы в грунте песчаного карьера установлено, что её основная масса (89-91%) находится в слое 0-20 см. Во все годы исследований максимальная биомасса корней обнаружена на варианте при совместном применении биомата торфяного и минеральных удобрений.

Таблица 6 - Количество растений на 1 м2 и масса корневой системы многолетних трав в 0,2 м слое при применении минеральных удобрении и биоматов торфяных

(г. Салехард)

Варианты опыта Количество растений, шт./м2 Масса корней, т/га

2008 г. 2009 г. 2010 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г.

Контроль (без удобрений) 37 218 301 0,02 0,04 0,05

Nj6oPi6oKi6o 121 2534 2445 0,15 0,75 0,82

BMT + N160Pi6oK160 142 2765 2677 0,18 0,83 0,91

НСРо.5 43 435 300 0,02 0,02 0,02

Слабое формирование корневой системы на неудобренных делянках обусловлено дефицитом питательных элементов в рекультивируемом грунте. Активное развитие корневой системы отмечено в 2009 г., когда температура воздуха и количество осадков превышали среднемноголетние значения.

При низкой температуре воздуха в 2010 г. прибавка массы корней по сравнению с 2009 г. на контрольном варианте составила всего 2,5%, на фоне NPK по 160 кг д.в./га- 9,3%, при совместном использовании биоматов торфяных и минеральных удобрений - 9,6%.

Особенности развития многолетних трав при внесении в грунт ионообменного субстрата БИОНА. Субстрат БИОНА обеспечивает дружное появление всходов многолетних трав на 4-5 дней раньше, чем на контроле. Весеннее отрастание трав начинается с опережением неудобренных делянок на полторы-две недели. На контрольном варианте развитие трав заканчивается в основном фазой кущения, при использовании субстрата БИОНА фазой цветения-созревания. При внесении субстрата БИОНА формируется плотная дернина, о чём подтверждает 95-100% проективное покрытие многолетних трав. Численность растений на контроле меньше, чем на вариантах с применением субстрата БИОНА, соответственно в 4,3 раза, 4,6 и 5,6 раза (табл. 7).

Внесение 4 т/га субстрата БИОНА увеличивает биомассу корней по сравнению с контрольным вариантом в 7-10 раз. Увеличение дозы внесения субстрата БИОНА с 4 до 12 т/га слабо влияло на накопление массы корневой системы. По-видимому, связано это с действием низких температур грунтов на поступление питательных веществ в многолетние травы.

Таблица 7 - Количество растений на 1 м2 и масса корневой системы многолетних трав в 0,2 м слое при применении субстрата БИОНА (г. Салехард)

Варианты опыта Количество растений, шт./м2 Масса корней, т/га

2008 г. 2009 г. 2010 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г.

Контроль (без удобрений) 37 218 301 0,02 0,04 0,05

БИОНА 4 т/га 221 1344 1298 0,14 0,41 0,48

БИОНА 6 т/га 242 1454 1394 0,15 0,49 0,56

БИОНА 12 т/га 299 1772 1688 0,15 0,53 0,61

НСРо.5 45 365 370 0,04 0,04 0,05

6 Экономическая эффективность биологической рекультивации карьеров в условиях Крайнего Севера

В результате оценки затрат с использованием специальных сметных программ установлено, что стоимость рекультивационных работ по сравнению с контролем (19,5 тыс. руб./га) возрастает при внесении минеральных удобрений в 23,2 раза. Кроме минеральных удобрений, значительное влияние на затраты оказывают нормы высева многолетних трав. На фоне Л^оРиоКш затраты на семена при норме высева 40 кг/га составляют 16% от общей суммы, 120 кг/га - 37%, 280 кг/га - 58%.

Затраты на биологическую рекультивацию значительно возрастают при применении биоматов торфяных. На 1 га сумма затрат составляет - 1029216 руб. Большие затраты обусловлены себестоимостью одного биомата, которая составляет 1440 руб. Высокая цена в значительной степени определяется тем, что биоматы торфяные производятся на больших расстояниях от Крайнего Севера. Стоимость доставки их от места производства до объекта рекультивации достигает 1520% от суммы всех затрат. Производство биоматов торфяных в местных условиях, где имеются большие запасы торфа, может существенно снизить себестоимость. Сравнительный анализ показывает, что биологическая рекультивация грунтов с применением биоматов торфяных дешевле в 2,6 раза по сравнению с применением георешетки.

Расчеты по эффективности использования ионообменного субстрата БИОНА показывают, что минимальные общие затраты получаются на варианте с внесением его в количестве 4 т/га - 277745 руб./га. С увеличением доз внесения субстрата существенно возрастают затраты. При дозе 6 т/га они составляют -404391 руб./га. Максимальные затраты 784327 руб./га складываются при внесении субстрата 12 т/га. При этом основные затраты приходятся на субстрат БИОНА -82%, на семена многолетних трав - 3,5%.

Выводы

1. Грунты Крайнего Севера, подлежащие биологической рекультивации, имеют легкий гранулометрический состав (частицы размером 0,25-0,05 мм -30-40%, 0,05-0,01 мм - 20-44%), значительно выше оптимальной плотность

(1,28-1,38 г/см3), плотность твёрдой фазы (2,61-2,68 г/см3), и низкую влагоём-кость 0,3 м слоя - 71,1 мм.

2. При близком залегании мерзлоты к поверхности влажность грунтов под влиянием осадков изменяется в течение вегетационного периода от переувлажнения в ранне-весенний и осенний периоды, до её дефицита летом (около 0,4 НВ в 0,3 м слое). При отсутствии осадков многолетние травы частично обеспечиваются влагой, поступающей от таянья мерзлой толщи. Под многолетними травами в корнеобитаемом слое практически всегда сохраняется высокая ёмкость поглощения осадков (20-25 мм). Поэтому под ними не бывает длительного переувлажнения. Применение биоматов торфяных повышает содержание влаги в 0,2 м слое грунта на 10-17%.

3. Грунты Крайнего Севера имеют неудовлетворительный температурный режим для произрастания многолетних трав. Температура в 0,2 м слое грунта под многолетними травами в течение вегетационного периода не превышает 7,9-9,2сС. Глубоко промерзшие грунты медленно оттаивают, что сдерживает их прогревание. Величина оттаивания грунтов составляет 44-54 см и не зависит от норм высева многолетних трав.

4. Содержание гумуса в намывных грунтах БНГКМ не превышает 0,8%, песчаного карьера - всего 0,1%. Через четыре года после внесения NPK по 150 и 210 кг д,в./га содержание гумуса в намывных грунтах увеличивается до 1,0-1,1%. Количество гумуса в грунте песчаного карьера от внесения N^cJ'iioKiio повышается через три года до 0,3%. Накопление гумуса под влиянием удобрений происходит только в 0,2 м слое грунта. Использование биоматов торфяных повышает содержание гумуса в 0,1 м слое в течение трёх лет с 0,1 до 0,9%. Внесение в песчаный грунт 4 и 12 т/га ионообменного субстрата БИОНА увеличивает количество гумуса в 0,3 м слое соответственно с 0,1 до 0,5 и 0,9%.

5. Грунты БНГКМ и песчаного карьера имеют низкие запасы валовых и подвижных форм азота (0,02-0,06% и 0,8-2,3 мг/кг N03, 0,3-1,42 мг/кг NHL,), фосфора (0,03-0,087% и 0,11-0,56 мг/100 г почвы) и калия (0,4-0,54% и 1,26-4,9 мг/100 г почвы), без дополнительного внесения которых невозможно выращивать многолетние травы. Эффективным приёмом повышения содержания питательных веществ в грунтах является внесение высоких доз минеральных удобрений (N90-210P 90-210^90-210).

6. Применение биоматов торфяных в сочетании с минеральными удобрениями (N160P160K160) повышает содержание нитратного азота в корнеобитаемом слое грунта в 6,3 раза, доступного фосфора в 1,7 раза, калия в 3,7 раза. Нитратный азот накапливается в основном в слое, где вносился торф. Внесение в песчаный грунт 4-12 т/га ионообменного субстрата БИОНА увеличивает количество нитратного азота в 3,4-5,8 раза, доступного фосфора в 1,4-1,8 раза и подвижного калия - в 3-4,1 раза.

7. Минеральные удобрения, биоматы торфяные и субстрат БИОНА ускоряют прохождение фенофаз многолетними травами на полторы две недели, увеличивают число растений на 1 м2 в 4,1-5,8 раза, проективное покрытие с 20 до 90-100%. Преобладающая масса корней формируется в первый год жизни трав и сосредоточена в 0,1 м слое грунта (около 75%), на глубине 10-20 см - до 20%. Внесение минеральных удобрений повышает корневую массу в 2,1-3,0 раза. Уве-

личение нормы высева с 40 кг до 280 кг/га повышает массу корней с 0,39 до 0,52 т/га. Использование биоматов торфяных в сочетании с минеральными удобрениями обеспечивает накопление массы корней в 18,2-20,7 раз больше по сравнению с контролем, субстрат БИОНА в 7-10 раз.

8. Суровые почвенно-климатические условия Крайнего Севера обуславливают необходимость формирования многокомпонентной рекультивационой травосмеси, в которую необходимо включение следующих видов: овсяница красная (сорт Свердловская), кострец безостый (Сибниисхоз 189), овсяница луговая (Свердловская 37), тимофеевка луговая (Камалинская 96), пырей ползучий (местная популяция), мятлик луговой (местная популяция), бекмания обыкновенная (Нарымская 2).

9. Минеральные удобрения увеличивают стоимость рекультивационных работ по сравнению с контролем (19,5 тыс. руб./га) в 2-3,2 раза. На фоне NPK по 150 кг д.в./га затраты на семена при норме высева трав 40 кг/га составляют 16% от общей суммы, 120 кг/га - 37%, 280 кг/га - 58%. Применение биоматов торфяных увеличивает затраты до 1,029 млн. рублей на 1 га. Высокая цена в значительной степени связана с затратами по доставке биоматов (до 20%). При внесении субстрата БИОНА затраты составляют от 227,7 тыс. руб./га (4 т/га) до 784,3 тыс. руб./га (12 т/га).

Предложения производству

1. С целью предотвращения водной и ветровой эрозии легких по гранулометрическому составу грунтов биологическую рекультивацию необходимо проводить в первый год после техногенного нарушения почвенно-растительного покрова.

2. В пределах отдельно взятого карьера восстановительные мероприятия должны носить локально-территориальный характер. Это связано с объёмами нарушенного участка, неровностью дна и откосов карьера, гранулометрическим составом грунтов, степенью обводнённости, изменением кислотности грунтов с глубиной.

3. Биологическую рекультивацию на легких по гранулометрическому составу грунтах необходимо проводить с применением многокомпонентной травосмеси включающую в себя следующие виды: овсяница красная, кострец безостый, овсяница луговая, тимофеевка луговая, пырей ползучий, мятлик луговой, бекмания обыкновенная, в соотношении - 40:35:10:5:5:3:2%. При низкой кустистости многолетних трав в жестких почвенно-климатических условиях Крайнего Севера оптимальная густота растительного покрова достигается при норме высева многолетних трав 120 кг/га.

4. Создание устойчивых фитоценозов многолетних трав на Крайнем Севере возможно при использовании ионообменного субстрата БИОНА (4-6 т/га), повышенных доз минеральных удобрений (N90-160P90-160K90-160) в чистом виде или в сочетании с биоматами торфяными в местах с высокой концентрацией поверхностного стока.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Игловиков A.B. Опыт и проблемы биологической рекультивации нарушенных земель Крайнего Севера. / A.B. Игловиков // Актуальные вопросы сельского хозяйства. - Тюмень: ТГСХА, 2007. С 232-235.

2. Игловиков A.B. Особенности применения удобрений при биологической рекультивации на Крайнем Севере / A.B. Игловиков. // Современные тенденции развития АПК в Северном Зауралье. - Тюмень: ТГСХА, 2009. С 230-233.

3. Игловиков A.B. Разработка технологии биологической рекультивации нарушенных земель Крайнего Севера / A.B. Игловиков. // Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях: сборник научных докладов. - М: МГСУ, 2009. С 203-205.

4. Игловиков A.B. Биологическая рекультивация или «самоизлечение» почв Крайнего Севера. / A.B. Игловиков // Научно-техническое творчество молодежи -агропромышленному комплексу Урала и Сибири. - Тюмень: ТГСХА, 2010. С 98-103.

5. Игловиков A.B. Разработка технологии биологической рекультивации нарушенных почв Крайнего Севера. / A.B. Игловиков. // Молодежь XXI века - аграрной науке. - Тюмень: ТГСХА, 2010. С 37-40.

6. Игловиков A.B. Температурный режим нарушенных почв Крайнего Севера. / A.B. Игловиков. // Инновации молодых ученых агропромышленному комплексу Сибири и Урала. - Тюмень: ТГСХА, 2010. С 4-8.

7. Игловиков A.B. Температурный режим нарушенных земель Крайнего Севера. / A.B. Игловиков. // Перспективы инновационного развития АПК. - Тюмень: ТГСХА, 2010. С 266-270.

8. Тихановский А.Н. Новые технологии биологической рекультивации земель для Крайнего Севера./ А.Н. Тихановский, A.B. Игловиков. // Приоритетные направления развития науки и технологий. - Тула: Изд-во «Инновационные технологии», 2011. - 228 с.

9. Игловиков A.B. Изменение температурного режима земель Крайнего Севера при техногенном нарушении почвенпо-растителъного покрова. / A.B. Игловиков. //Аграрный вестник Урала Ks 7 (86). - УрГСХА, 2011. С 50-53.

Подписано в печать 19.01.2012 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Печать ризографная. Гарнитура «Times New Roman». Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № *t .

Издательство АГАУ 656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98 62-84-26

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Игловиков, Анатолий Валерьевич, Барнаул

61 12-6/201

Тюменская государственная сельскохозяйственная академия

На правах рукопис

ИГЛОВИКОВ АНАТОЛИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

Биологическая рекультивация карьеров в условиях Крайнего

Севера

Специальность 06.01.02 - мелиорация, рекультивация и охрана земель

Диссертация на соискание учёной степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель:

заслуженный агроном РФ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Моторин A.C.

Барнаул, 2012

Содержание

Введение........................................................................................4

1 Обзор литературы.........................................................................8

1.1 Влияние техногенных факторов на устойчивость рельефа поверхности в условиях Крайнего Севера............................................................В

1.2 Требования многолетних трав к влажности почвы........................11

1.3 Действие низких температур на питательный режим почвы............15

1.4 Особенности биологии многолетних трав в условиях Крайнего Севера........................................................................................21

1.5 Агромелиоративные приёмы восстановления почвенно-растительного покрова нарушенных земель...............................................................29

2 Характеристика объектов, условия проведения и методика исследований..............................................................................40

2.1 Характеристика объектов исследований.....................................40

2.2 Почвенно-климатические условия Крайнего Севера как среда формирования многолетних трав.......................................................45

2.3 Агроклиматические условия в годы проведения исследований..........51

2.4 Условия проведения и методика исследований.............................63

/

3 Особенности гидротермических условий грунтов Крайнего Севера в связи с их биологической рекультивацией.......................................69

3.1 Формирование режима влажности грунтов в зоне вечной мерзлоты...69

3.2 Температурный режим грунтов................................................73

4 Физико-химические свойства и питательный режим грунтов Крайнего Севера.........................................................................79

4.1 Влияние минеральных удобрений на физико-химические свойства и питательный режим намывных грунтов в условиях тундры.....................79

4.2 Физико-химические свойства и питательный режим песчаных грунтов при использовании минеральных удобрений и биоматов торфяных в условиях лесотундры.....................................................................90

4.3 Физико-химические свойства и питательный режим песчаных грунтов при внесении ионообменного субстрата БИОНА в условиях лесотундры..................................................................................98

5 Влияние агромелиоративных приёмов на рост и развитие многолетних трав в условиях Крайнего Севера...............................104

5.1 Развитие фитоценоза многолетних трав в зависимости от уровня минерального питания..................................................................104

5.2 Рост и развитие многолетних трав при различных нормах высева....109

5.3 Формирование устойчивого травяного покрова при использовании биоматов торфяных......................................................................112

5.4 Особенности роста и развития многолетних трав при внесении в грунт ионообменного субстрата БИОНА...................................................116

6 Экономическая эффективность биологической рекультивации карьеров в условиях Крайнего Севера...........................................120

Выводы...............................................................................126

Предложения производству......................................................129

Список использованной литературы.........................................130

Приложения..........................................................................147

Введение

Актуальность темы. Промышленное освоение нефтегазовых земель Крайнего Севера, строительство здесь новых автомобильных и железных дорог увеличивает количество техногенно-нарушенных земель.

В результате деятельности предприятий нефтяной и газовой промышленности происходит формирование территорий, представляющих собой безжизненные песчано-пустынные субстраты.

Особо остро вопрос увеличения площади нарушенных земель стоит на полуострове Ямал. Здесь насчитывается огромное количество карьеров, т.к. песок является основным материалом для сооружения площадок под буровые, строительства зданий, дорог, трубопроводов и других различных сооружений. В связи с расширением эксплуатации старых и освоением новых месторождений количество нарушенных нефтегазодобычей земель (песчаных карьеров с открытым типом добычи минерального грунта) официально составит на полуострове до 10% его общей площади (Зенько, 2001).

Известно, что природные системы Севера отличаются повышенной ранимостью и хрупкостью, обусловленной нестабильностью многолетнемёрзлых пород, резкими колебаниями параметров абиотических условий, сравнительной простотой структуры и относительно невысоким видовым разнообразием растительных сообществ. Техногенные нарушения поверхности территории многолетнемёрзлых почв приводят к усилению криогенных и других геологических процессов, изменяющих ландшафт в нежелательном направлении.

Биологическую рекультивацию нарушенных земель в этой зоне только начинают. Здесь ещё нет необходимого производственного опыта и научно обоснованных рекомендаций по основным элементам технологии биологической рекультивации, что объясняет низкую эффективность выполняемых мероприятий. В связи с этим большое значение приобретает

разработка агромелиоративных приёмов биологической рекультивации для стабилизации криогенных процессов на вечномёрзлых грунтах.

Цель исследований: разработать технологию создания биологически активного и устойчивого в условиях Крайнего Севера почвенно-растительного покрова, обеспечивающего стабилизацию криогенных процессов в карьерах.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих основных задач:

- изучить особенности гидротермических условий и питательного режима грунтов;

- разработать приёмы повышения устойчивости травяного покрова за счёт рационального использования химических мелиорантов, минеральных и органических удобрений;

- провести подбор многолетних трав, устойчивых к неблагоприятным условиям Крайнего Севера;

- дать экономическую оценку приёмам биологической рекультивации карьеров в условиях Крайнего Севера.

Научная новизна. Впервые в условиях тундры и лесотундры (на примере ЯНАО) раскрыты особенности водного, температурного и питательного режимов нарушенных грунтов в связи с их биологической рекультивацией.

На основании проведённых исследований также впервые установлены особенности изменения физико-химических свойств и питательного режима грунтов при использовании минеральных удобрений, биоматов торфяных и ионообменного субстрата БИОНА.

Изучены особенности роста и развития многолетних трав в неблагоприятных почвенно-климатических условиях Крайнего Севера.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- грунты карьеров Крайнего Севера имеют неудовлетворительные гидротермические условия, физико-химические свойства и питательный режим для произрастания многолетних трав;

- формирование устойчивых почвенно-растительных покровов при биологической рекультивации грунтов зависит от агромелиоративных приёмов.

Практическая значимость. Разработанные агромелиоративные приёмы позволяют повысить эффективное плодородие грунтов и создавать устойчивые растительные покровы из многолетних трав.

Материалы работы использованы ООО НПП «Ямальская аграрная наука» при проведении биологической рекультивации нарушенных земель на площади 30 га.

Результаты исследований могут быть использованы при разработке рекомендации и проектов по биологической рекультивации грунтов Крайнего Севера.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись на: Региональной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы сельского хозяйства», г. Тюмень, 2007 г.; Региональной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 50-летию Тюменской государственной сельскохозяйственной академии «Молодежь XXI века - аграрной науке», г. Тюмень, 2009 г.; Региональной конференции молодых ученых «Современные тенденции развития АПК в Северном Зауралье», г. Тюмень, 2009 г.; Региональной конференции молодых ученых «Инновации молодых ученых АПК Сибири и Урала», г. Тюмень, 2010 г.; Международно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях», г. Москва, 2009 г.; Международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Курганской ГСХА «Инновационные пути решения проблем АПК», г. Курган, 2009 г.; Международной научно-практической конференции, посвященной 420-летию земледелия Зауралья «Перспективы инновационного развития АПК», г. Тюмень, 2010 г.; Областной специализированной выставке АПК, г. Тюмень, 2009 и 2011 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка и приложений. Содержание работы изложено на 196 страницах печатного текста, включая 27 таблиц, 19 рисунков и 48 приложений. Библиографический список содержит 198 источников, из них 9 на иностранных языках.

За оказанную помощь при обсуждении методики исследований и подготовке рукописи диссертации к защите автор выражает искреннюю признательность научному руководителю, заслуженному агроному РФ, доктору сельскохозяйственных наук, профессору A.C. Моторину; директору, доктору сельскохозяйственных наук ООО НПП «Ямальская аграрная наука» А.Н. Тихановскому.

1 Обзор литературы

1.1 Влияние техногенных факторов на устойчивость рельефа поверхности в условиях Крайнего Севера

В условиях Крайнего Севера двумя главными факторами, лимитирующими устойчивость северных экосистем, являются:

- дефицит тепла;

- наличие и состояние мерзлого, как правило, льдистого субстрата.

При обустройстве нефтегазовых месторождений (строительстве

скважин, компрессорных станций, дорог, трубопроводов, зданий, промышленных сооружений и других различных объектов) обязательно перед началом и во время работ применяется отсыпка грунтом, обычно песком. За 30 лет деятельности предприятий нефтегазовой промышленности на территории Севера Тюменской области образовались десятки тысяч больших и малых карьерных выработок, оказывающих отрицательное влияние на окружающую среду (Медко, 2004).

Отработанные песчаные карьеры часто длительное время предоставлены сами себе, т.е. оставлены на самозарастание и представляют собой рельефный техногенный ландшафт.

Наблюдения за техногенным рельефом показывают, как активно происходит дальнейшее разрушение карьеров, особенно карьеров, располагающихся в тундровой зоне. Обнаженная минеральная толща лишенная растительного покрова с каждым годом протаивает и высыхает всё больше от этого скорость водной и ветровой эрозии возрастают, активно развиваются различные водно-эрозионные процессы: осыпи, оползни, оврагообразование (Трофимов, 1975).

В зонах тундры и лесотундры растительность оказывает в основном консервирующее влияние на грунты, замедляя процессы, происходящие в верхних слоях. Благодаря слабой теплопроводности, растительный покров

замедляет и уменьшает теплообмен между грунтами и атмосферой. Вследствие этого глубина протаивания грунтов под растительным покровом уменьшается на 65 - 85 см по сравнению с обнаженными участками. Соответственно промерзание - протаивание, пучение, просадка грунтов, а так же солифлюкция под растительным покровом протекают в слое, толщина которого меньше, а поэтому они вызывают меньшее изменение грунтов, чем на обнаженных участках. Сплошной покров из мхов, лишайников и торфянистый слой, залегающий под ним, характерные для этих подзон, исключают (на севере) или значительно затрудняют (на юге) развитие термокарста и значительно затрудняют эрозию (Трофимов, 1975).

Удаление или даже частичное нарушение теплоизолирующих напочвенных покровов при техногенных нагрузках вызывают быстрое протаивание минеральных грунтов. Могут затрагиваться и подземные льды, тогда происходит просадка поверхности. В понижениях скапливается вода. Если почвы мелкодисперсны и не содержат льда, усиление процессов протаивания и осадки ослаблено. При крупнопесчаных и крупноскелетных грунтах удаление растительного покрова резко усиливает их протаивание (Павлова, 1980).

Нарушение тундрового почвенно-растительного покрова повышает температуру грунтов не только в пределах сезонно-талого слоя, но и в подстилающих его мерзлых отложениях. В случае, если нарушение почв и растительного покрова происходит на склонах, изменение термовлажностного режима грунтов приводит к возникновению солифлюкции и термоэрозии. На выровненных участках, сложенных сильнольдистыми грунтами, изменение термовлажностного режима ведет к распространению термокарста с последующим обводнением территории. Наибольшие изменения термовлажностного режима грунтов связаны с нарушением органогенных горизонтов (Лобов, 1983; Исаков, 1986; Афанасьева, 1979; Тыртиков, 1974).

В районах сплошного распространения мерзлоты вследствие отсутствия мощного растительного покрова эрозионная деятельность (термоэрозия) протекает активно. Широко развиты как молодые, интенсивно растущие овраги с обнаженными склонами, так и древние, с частично задернованными склонами. Прирост оврагов осуществляется главным образом весной (80 %) с преобладанием в этот же период глубинной эрозии.

На территории Ямала протаивание мерзлоты на склонах сопровождается солифлюкционным течением пород. На склонах крутизной более 20° может происходить срыв водонасыщенной массы грунта и оползание его по обводненной кровле многолетнемерзлых пород (Трофимов и др., 1975).

Оползневые смещения происходят летом и осенью, но на севере Западной Сибири эти явления приурочены, в основном, к концу лета -началу осени, когда мощность сезонно талого слоя достигает максимального уровня. В теплые дождливые годы это явление принимает массовый характер. Имеют место вторичные подвижки уже существующих оползней. Часто это происходит в результате деятельности человека (Кашперюк и др., 1986).

В зависимости от выбранного способа освоения одни и те же территории могут быть отнесены к неустойчивым или устойчивым. В данном случае степень и формы активации вторичных процессов, в частности, масштаб развития эрозионных процессов, их динамика и стадийность зависят не только от техногенных воздействий (характера технических сооружений и режима их эксплуатации), но, и, главным образом, от повышения температуры поверхности почвы.

При изменении теплового баланса и температурных режимов происходит:

- деградация и новообразование мерзлоты;

- наледеобразование;

- развитие термоэрозии;

- пучение и растрескивание грунтов.

Следовательно, природная тепловая устойчивость не является единственным критерием оценки устойчивости территории, поскольку даже при незначительных нарушениях поверхности (удаление или разрушение растительности) происходит прогрессивное развитие криогенных процессов (Пармузин, Суходольский, 1980).

При наличии сильнольдистых песчано-супесчаных отложений появление тракторных следов приводит к образованию термокастровых ложбин - термоэрозии и оврагообразованию (Григорьев, 1979).

В результате развития криогенных процессов, ведущих к разрушению почвенного покрова и обнажению песчаного грунта, а так же техногенных нарушений почвенно-растительного покрова наблюдаются развевания песчаных обнажений. Интенсивность дефляции зависит от механического состава пород, увлажненности территории, характера мезо- и микрорельефа, интенсивности его расчленения, а так же от характера и степени техногенных воздействий (Тонконогов, 1975).

Возникновение очага раздува песков на возвышенных дренированных равнинах приводит к быстрому исчезновению почвенно-растительного покрова на площадях в несколько сотен квадратных метров (Кобелева и др., 1988).

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что нарушение тундрового почвенно-растительного покрова приводит к возникновению эрозионных процессов. Поэтому после завершения работ в карьерах они должны в обязательном порядке подвергаться технической и биологической рекультивации.

1.2 Требования многолетних трав к влажности почвы

Вода в зависимости от её содержания в почве обладает различной подвижностью и разной степенью доступности растениям. Чем ближе это

содержание к той системе влажности, которая требуется при известных условиях климата и свойствах почвы для роста данного растения, тем выше его урожайность (Жилинский, 1907). В связи с этим очень важно установить диапазон влажности, в пределах которого влага почвы легко доступна и положительно сказывается на почвенных процессах, обуславливающих плодородие.

А.Н. Костяков (1960), Г.И. Лашкевич (1975) считают, что величина о