Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическая оценка водно-физических свойств техногенных почв КАТЭКа при лесной рекультивации

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Экологическая оценка водно-физических свойств техногенных почв КАТЭКа при лесной рекультивации"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

институт леса имени в. н. сукачева

На правах рукописи

ТАРАСОВ Павел Альбертович

УДК 631.43:631.618:634.0.228.7

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕХНОГЕННЫХ ПОЧВ КАТЭКА ПРИ ЛЕСНОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ

03.00.16 —Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Красноярск 1993

1:с"\' "кг"": ..: Г'чур^и:.' .'"Л

СТП1 Ч [,!• Г.',.

Рабата выполнена в лаборатории лесногв п0ч»о»вд»м*я И «с т* тут» лш им. В. Н. Сукачева СО РАН.

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор В. М. Корсунов

©фиыиальмы« еппоиенты:

доктор биологических наук В. Н. Горбачев

кандидат сельскохозяйственных наук Н. В. Ковылин

В«дущая организация:

Институт почвоведения и агрохимии СО РАН

Защита диссертации состоится « 2-0 * С\Ир(? АЯ_1993 гада

в ^ часов на заседании Специализированного совета К 002.70.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в институте леса им. В. Н. Сукачева по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института леса им. В. Н» Сукачева СО РАН.

Автореферат разослан « j5 * МР^ЭМч 1393 г»да

Ученый секретарь специализированного совета дектор сельскохозяйственных наук Р. М. Бабнннева

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

Актуальность проблемы вытекает из реальной неблагополучной экологической ситуации, складывающейся в регионе в результате создания здесь топливно-энергетического кочплекса и широкого использования открытого способа добычи местных бурю: углоЯ. !ля устранения негативных последствий необходимо осуществление целого комплекса различных мероприятий, одним из которых является создание на отвалах вскрылных пород искусственных лесонасаждений санитарно-гигиенического, рекреационного и защитного назначения. При этом успешность рекультивации в значительной мере зависит от водно-физических свойств вскрга-нкх пород и их гидротермического режима.

Црль и задачи исследования заключались » следующем:

1. Исследовать водно-физические свойства молодых техногенных почв, формирующихся на разных типах отвалов Назарорско-го угольного разреза.

2. Изучить гидротермичсскис условия и влагообеспсченность их корнлобитаемой толаи 5 период активной вегетации растений.

3. Изучить особенности начального периода роста и развития лесных культур на техногенных землях.

4. Оценить лесорастительные условия отвалоз вскрышных пород угольных разрезов КАТЭКа.

Научная новизна. Впервые дана полная агрофизическая характеристика к детально изучены водно-физические свойства молодых почв техногенных ландшафтов КАТЭКа, формирующихся на различных по возрасту и генезису отвалах. Статистически обоснована необходимая кратность определения показателей плотности сложения техногенных почв. Экспериментально установлены значения почвен-но-гидрологических характеристик, получено уравнение связи влажности техногенных почв, их удельной поверхности и давления почвенной влаги. Доказана возможность использования правила С.Н.Тюремного применительно к почвам техногенного происхокде-яия. Показана роль растительности в формировании гидротермического режима отвалов. Оценена влагообеспеченность лесных культур, вскрыта специфика начального периода их роста и развития на техногенных землях.

Затопляемые положения. Т. Добыча угля открытым способом приводит к образованию специфичных техногенных почз, характеризуз-■иихся высокой степенью изменчивости водно-физических свойств.

"скусствешше сосновые Фитоценозы оказывают положительное Елиянке на структурное состояние, плотность сложения, водопроницаемость и гидротермический режим техногенных почв и пост 'Пскно создают обстановку экологического соответствия.

3. Лесная рекультивация значительно ускоряет лрзцсссн экогенеза на нарушенных землях, в результате чего уже за 10-15 лет здесь Нормируется сложные многокомпонентные экосистемы, обладание высокой биологической продуктивностью.

тактическая ценность. полученные материалы используются rr'.i научном обосновании работ по лесной рекультивации. Экспериментальные данные и уравнения общих зависимостей между различ-параметрами молодых почв могут быть использованы при даль-чойзем изучении почвенного покрова техногенных ландшафтов. Отмоченные особенности начального периода роста и развития искусственных фитопенозов на техногенных землях КАТЭКа должны учитываться при проектировании и проведении работ по лесной рекультивации. Некоторые научные выводы, имеющие теоретическое и поз-наьатольное значение, могут быть включены в лекционные курен.

Апробация габотц. Основные результаты исследований докладывались на конференциях молодых ученых ИЛиД СО АН СССР (г.Красноярск, ISbo и I9S8 гг.), Бурятского филиала СО АН СССР (г.Улан-7до, г.) и Башкирского НЦ УрО АН СССР (г. Уфа, 1969 г.); на научной ссссии по проблемам экологии КАТЭКа в ИЛиД (I9Ö7 г.); но краевой научно-производственной конференции, посвященной 90-лстиг со дня рождения проф. Н.В.Орловского (г. Красноярск, I-•b'i- г.); на УШ Всесоюзном съезде почвоведов (г.Новосибирск, 198У г.); на всесоюзно!» конференции "Почвы Дальнего Востока и прилегающих регионов" (г.Владивосток, 1990 г.); на всесоюзной конференции "Проблемы использования канско-ачинских углей в энергетике" (г. Красноярск, 1991 г.).

Объекты и методы исследования. Основная часть работ выполнена в период с 1966 по 1990 гг. Объектами исследования являлись все основные типы отвалов вскрышных пород Казаровского угольного разреза (западный участок КАТЭКа), отличаюциеся Бременем и технологией формирования, на которых в разные годы были

созданы культура соски обыкновенной. Контролем служили темно-серые лесные ночек под сосновый» посадками близкого возраста.

Поставленные задачи реализованы кг базе комплексных голевых, стационарных, лабораторных к статистических методов при выполнении темы "Экология КАЗЗНа" в рамках программы "Сибирь".

Стгуктута у об--ем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глзе, заглгченкя, тактических рекомендаций и прилстс-кия. Ока изложена на 290 стр. машинописного текста, содержит 18 та5-лиц и 14 рисунков. Список литературы гклвчает ¿30 наименований, в том числе 14 иностранных.

Глава I. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЛЕСКОЙ РЕКУЛЬЛУЗЩМ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ .

3 этоЯ гла5е, посвященной обзору литературы, показана актуальность и необходимость лесной- рекультивации техногенных ланд-es^tcp, раскрыта роль техногенных и природных факторов в формировании их ле сорбите льных условий, лана их оценка, а такте рас г-, vor jena перспективность использования некоторых видов древесной растительности при искусственном облесении отвалов.

Актуальность и необходимость рекультивации обусловлена прогрессирувдим увеличением площадей нарушенных земель (Моторика, Овчинников, 1975; Тропиков, Таранов, 1967), а приоритетность её лесного направления определяется высокими преобразовательными санкциями древесной растительности, сгособстгупти:;!: %'скоренип почвообразовательного процесса к восстановлению ако-логического баланса (Еяллоеич, I97Ü; Трофимов, 1974; Протопопов, 19Ь0, II'со; Цугалей и др., 19Ы; Баранник, 19Б8; N'ilCe, 19-76; Schneider, 1991).

Нгсмотря на определенные успехи в изучении данной проблему, полученные материалы не могут быть, з силу своеобразия природных условий НАТЭКа, использованы без детального изучения региональных особенностей рекультивации техногенных ландпафтов.

Глава 2. ПРИРОДНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РЕГИОНА. ОБЪЕКТУ 1! МЕТОДУ ИССЛЕДОВА КИЙ

Исследования проводились в Назпровской котловине, находящейся на западном участке КАТЗ-Са и характеризугсейся сложным геологическим строение« (Природа и хозяйство 1983). Кли-

мат резко континентальный. Средняя годовая температура воздуха - 0,6°С, температура января - 18°С, июля - +17,5°С. Число дней с температурой выше 10° - 100-110. Период вегетации длится с мая по сентябрь. Среднегодовое количество осадков около 400 мм, из них 80Й выпадает летом. Радиационный индекс сухости близок к I (Протопопов, 1983).

Растительный и почвенный покров сильно трансформирован хозяйственной деятельностью (Природа и хозяйство ..., I9F3). Коренная растительность в настоящее время почти не сохранилась, а в разнообразном почвенном покрове преобладают серые лесные, дерновые-лесные и лугово-черноземные почвы, оподзоленные и выщелоченные черноземы (Шугалей, 1981).

Ка каждом отвале закладывалось по 8 разрезов (по 4 - на .участке опытных посадок и в производственных культурах), Ü связи с отсутствием у молодых техногенных почв дифференциации на горизонты, их исследование проводилось по слоям - 10-сантиметровым до глубины I м и 20-сантиметровым от I до £ м. При этом использовались методы, общепринятые Э агрофизических исследованиях (Агрофизические методы исследования почв, 1356). Ночвенно-гицрологические характеристики определяли методом прессов (Глобус, 1369; Судницын, 1979; Яшкин, 1991). Данные химического анализа предоставлены Л.С.ШугаяеЯ. Лесные культуры исследовались по методам, общепринятым для искусственных насаждений ÍOmoвский, XttpGB, 1ШШ» Полученные данные обрабатывались методами в.чриацненной статистики (Дворецкий, 1971; Дмитриев, 1972).

Г.ЫИ& 3. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ МОЛОДЫХ ПОЧВ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАВДНШОВ

В главе приводится характеристика и дается анализ морфологических. химических, физических и водных свойств.

К морфологический особенностям ыолодых техногенных почв следует отнести харадтцр дифференциации их профиля. Лиаь в верхней ег© части cu она, связана с почвообразованием, в результата которого выделенные здесь слои в целом соответствуют пэнктир "почвенный горизонт". В остальной же толще выделение отдёШВД слоев обусловлено неселективной технологией фор-ииро&ания отвалов.

Бальная часть главы и диссертации в целом посвящена ха-

рактеристике физических и водных свойств молодых техногенных почв. Гранулометрический состав их различных слоев представлен очень широко - от связного песка до легкой глины, что обусловлено неселективной технологией формирования отвалов. Однако чаше преобладают легкие и средние суглинки, а из фракций - мелкий песок, ил и пыль. Весьма значительные отличил п степени дисперсности различных слоев техногенных почв обусловили широкий интервал изменчивости их удельной поверхности - о: 20 (у песков) до 120,м^/г (у легких глин). Теснота связи между данными показателями подтверждается высокими значениями параметров уравнения зависимости удельной поверхности ( ,м^/г) от содержания физической глины СX,?'■) 5 = 1,5Х - 36, рассчитанного ня основе экспериментальных данных: =0,66; 6 =17%;

Отсутствие в верхней части отвалов слоев, удельная поверхность которых бы заметно гтревоегоднлп аналогичный показатель вьтаерасположенной толши, позволяет судить с слабой интенсивности процессов первичной дифференциации тонкодисперсных фракций.

'¿икрооструктуреь'ность молодых почв выражена довольно хорошо. Содержание агрономически ценных (более 0,05 ш.г) агрегатов в болыаинстве слоев составляет 60-8Ц?, а коэффициент дисперсности - 5-12», что сопоставимо с аналогичными показателями темно-серых лесных почв. Однако столь большое количество агрегатов крупнее 0,05 мм в слоях со значительным содержанием песка мотет быть обусловлено преобладанием его нсагрегированных частиц и во фракциях микроагрегатного состава. В образовании микроагрегатов наибольшее участие принимают фракции ила и мелкой пыли, в меньшей степени - средняя к крупная пыль. Преимущественно высокие значения фактора потенциальной агрегироЕанности (0,6-0,8) позволяют судить о хоропих перспективах для улучшения структурного состояния и образования агрегатов более высокого уровня.

Пока же макрооструктурениость техногенных почв выражена весьма слабо. Вследствие значительного содержания мелкоглыбистых и пылеватых агрегатов в большинстве слоев коэффициент структурности, как правило, находится в интервале от I до 2. При довольно широком диапазоне варьирования средневзвешенного диаметра агрегатов '.от I до 7 мм) его наибольшие значения наблюдаются в слоях более тяжелого грануломечрического состана.

Невысокие величины коэффициента ЕОдоустойчиЕООти структуры (э среднем 0,2-0,4) и среднеЕЗЕешенногс диаметра водопрочных агрегатов (0,3-0,5 мм) свидетельствуют о слабой способности макроструктуры техногенных: почв противостоять разрузаидему деГстаи» еоды. Близость средневзвешенного диаметра водопрочной структуры к размеру микроагрегатон позволяет заключить, •.тс процессы образования почвенных отдельностей макрострук-тугмсго уровня еще находятся в начальной еглдии. Плст^рст»! сложения во многом определяется не только свойствам/ эскрьш-ч'гх город, не которых .формируются молодые почвы, ко и технолог.! ?!» образования отЕалов л их технической рекультивации. ?->:{ кг.'^сльгиз величины объемной массы (1,35-1,*- г/см'1) от-

э зерхнеЯ метровой толпе ниеЕкзго транспортного и ь-ч'/троннего бестранспортного отеолов (рас. I) и обусловлены углотнлсдиы воздействием тяжелой техники при проведении гла-•;ироЕСЧньк работ, профили гидрсотЕалоз характеризуется мень--¡¿„ч плотностью сложения (1,20-1,35 г/см3!. Зесь полученный ин--ервол величин объемной массы молодых почэ (от I.II: до 1,19 г/см3) не является критическим дд: роста корнзЕых систем ссснс-гих культур СГаель, Воронков, 156о; Сытник и др., 1372; Калинин. 1963; Рсш^кпег , ^¿т , 1972). Однако наличие э верхней части отвалов слоев с высокой плотностью мо*ет отрицательно сказаться на приживаемости и росте создаваемых здесь культур. Несколько ыеньзая плотность слоя С—1С1 см (1,10-1,20 г/см3), отмеченная практически на всех исследуемых участках, глазным образом, обусловлена разрыхляющим воздействием корнз-

систем растения. Незначительный интервал варьирования удельной массы р большинстве слоев техногенных почз (2,45— 2,55 г/см3) позволяв* заключить об относительной близости минералогического состава вскрышных пород. При этом несколько меньшие величины данного показателя верхних слоев (прежде всего, 0-10 см), по-гидичоыу, связаны с появлением в состаэе их твердой фазы органических компонентов.

Несмотря на умеренную вариабельность объемной массы (У< 10*) и слабую - удельной ( V < 5Я), сопоставление этих показателей разных слоез техногенных почв обнару-кило высокий процент достоверных различий (40-7(Л), что подтверждает наличие довольно большой пестрота и пространственной изменчивости э их сложении.

% от объема г/см3 ^ от объема

а б

Рис. I. Водно-фкзическке свойства техногенных почв: а - внутреннего бестранспортного отвала, б - внутреннего гидроотвала.

Практически все значения обзей пористости (скважности) укладываются в интервал от 40 до ЬССа и соответствуют удовлетворительной или хороаей оценке (КачинскиЯ, 1965). Исклгчонис ссс?-л:.-ляет леть уплотненный слой 20-50 см в извне го транспортного сгрл-ла, скважность которого является неудовлетворительной (менее

На основе анализа статистических данных показателей плотности сложения техногенных почв было расчитано необходимое мичжлль-ное количество определений объемной и удельной массы при исследованиях подобных объектов. При уровне вероятности 0,90 оно составляет соответственно 13 и 4 определений, при уровне вероятности 0,95 - 29 и II.

Слабая водопрочность структуры наряду с наличием уплотнен-

нмх слоев е верхней части профиля определили значительно худшую, по сравнению с контролем, водопроницаемость техногенных почв. Прежде всего ото касается участков опытных посадок Екутре.чего бестранспортного и особенно внешнего транспортного отвалов, крайне низкие средние значения коэффициентов впитывания (КЕ< 7 мм/мин) и фильтрации (К^< 0,3 мм/мин) которых, а также впитывание за первый час наблюдений ( -10 мм) по скале Н.А.Качинского (1970) оцениваются как неудовлетворительные. Это приводит к различным негативным последствиям: усилению поверхностного стока, развитию эрозионных процессов я длительному застаиванию влаги е понижениях, вызывающему гибель саженцев. Инфильтрационные характеристики большинства остальных исследуемых участков соответствуют хорошей и даже наилучшей оценке (К0 =15-50 мм/мин, Кф =2-5 мы/мин, впитывание - 75-115 мм/час). Значительно лучшая водопроницаемость техногенных почв под 15-летними культурами обусловлена большой степенью развития их корневых систем и увеличением количества крупных пор. Кроме того, нельзя не отметить зависимости инфильтрационных характеристик от степени дисперсности почвы, нашедшей отражение в их максимальных величинах на • участке культур 1972 г. внутреннего гидроотвала,' наиболее легком по гранулометрическому составу.

В связи с отмеченными отличиями в гранулометрическом составе и плотности сложения различных слоев отвалов большой интерес представляет исследования их почвенно-гидрологичес-ких характеристик.

Установленные величины МГ подтвердили известную зависимость данной характеристики от адсорбционной способности поверхности почвенных частиц (Качинский, 1930; Колясев, Мельникова, 1919). Так если для слоев, представленных песками, МГ составляет менее от веса почвы, для супесей и легких суглинков - для средних суглинков - 6-7£, то для характеризующихся наибольшими значениями удельной поверхности ,слоёь тяжелых суглинков и легких глин эта величина возрастает до 8-10%. Расчитакное на основе экспериментальных данных уравнение линейной зависимости МГ=0,068 5 имеет очень высокие статистические параметры ( 8^=0,94; б =7,63; Г=1730), что свидетельствует о большой тесноте связи между адсорбцион-

ной способностью техногенных почв и степеныэ их дисперсности.

Для определения других почвенно-гидрологических характеристик в лабораторных условиях использовались прессы Ричардсона различных конструкций - пластинчатый для НВ и мембранный - для ВРК и ВЗ (Глобус, 1969; Судницын, 1979). При этом были приняты следующие величины рабочих давлений: ВЗ - 1500 кПа (15 атм), ВРК - ICO кПа (I атм), НВ - 20 кНа (0,2 атм). Кроме того, BHÍ к КЗ определялись э полеЕых условиях.

Полученные результаты поцтвердили зависимость 23 от величины удельной поверхности, а следовательно и функционально связанного с ней гранулометрического состава. По мере увеличения степени дисперсности почвы значения БЗ также возраста»?: от »1 - у песков до 1Ъ% - у легких глин. Анализ отношения ВЗ/МГ (или коэффициента завядания), который кмес-т большое практическое значение, показал доеольно заметную его изменчивость в толще техногенных почв. Так для супесчанных слог,в отношений ВЗ/МГ составило в среднем 1,66^0,25; легких суглинков

- 1,62^0,27; средних суглинков - 1,59±0,33; тяжелых суглинков

- 1,53±0,12 и легких глин - 1,47±0,06.

Известно, что три другие почвенно-гидрологические характеристики (ВРК, НВ и ПВ) в значительной мере зависят не только от степени дисперсности почв, но и от острукт.урепкости, плотности и пороэности (Роде, 1965; Воронин, 1966). Однако, учитывая относительную близость этих показателей физического состояния большинства исследованных слоев, можно заключите, что отмеченная изменчивость ВРК, НВ и ГШ техногенных почв на начальном этапе их развития в гораздо большей степени связана с различиями в гранулометрическом составе. Так наименьшие значения ВРК и НВ (соответственно 6-15 и 16-25Й) получены в супесчанных и легкосуглинисгых слоях внутреннего гидрсотвала, а максимальные их величины (¿5-30 и 30-35"?) - в профиле внеп-него гидроотвала, сложенного преимущественно легкими глинами. При этом сопоставление значений ВРК и НВ, полученных разными способами (в поле и лабораторных условиях), обнаруживает определенные различия между ними, составляющие в среднем 3 -Ü*. и не имеюте какой-либо тенденции. Наиболее вероятном объяснением этого может быть пространственная пестрота водно-фи-яических свойств техногенных почв, а также связанное с не?

неполное соответствие рассматриваемых почвенно-гидрологячес-ких характеристик определенному давлении влаги (Слейчер, Г770; Мич.ури-:, 1975).

Значения По составляет от 30 до 50? от веса. При отом основная их масса находится в более узком интервале - от 3;; до что обусловлено довольно близкими величинами об-¡пой порозности и степени дисперсности большинства исследуе-¡лгс слоев техногенных почв.

Зместе с тем, выражение влажности в весовых процентах ггги изменчивости объемной массы делает весьма затруднительным сопоставление влагозаиасов различных слоев. Более рациональным в отом случае является Еыраление влажности почвы через занимаемую водой доли ее объема. При ¡13 эта доля э -^•льщинстве случаев составляет 50-55*. НЗ наиболее значительно изменяется в профиле внутреннего гидроотЕала - от 20 до 157, (рис. 16), характеризусщемся весьма существенными различиями в степени дисперсности. 3 толзе же остальных отвалов, весьма близких по гранулометрическому составу, варьирование НЗ, как правило не превышает 5"? по объему, а средние ее значения, главным образом, зависят от размера почвенных частиц. Минимальные значения НЗ (30-33%) соответствовали легкосугли-нистьш слоям внутреннего бестранспортного отвала (рис. 1а), а максимальные (40-495) били отмечены в толце внешнего гидроотвала, сложенного глинами. Иначе говоря, НВ при выражении в объемных процентах стремятся к некоторой постоянной величине, т.е. ОМ х !1Ь =сог^ . Поскольку приведенное выражение является математической записью правила С.Н.Тюремнопа для относительно однородных по гранулометрическому составу естественных почв (Роде, 1565), то следовательно, оно действительно, при выполнении данного условия, и .для почв техногенного происхождения.

Анализ интервала ЯВ-НЗ, характеризувиего пористость аэрации, обнаружил крайне невысокие (менее 9?) его величины в наиболее плотных слоях ряда отвалов, прежде всего, внешнего транспортного. Поэтому длительное высокое (близкое к НЗ) содержание влаги может способствовать созданию здесь анаэробных условий. В большинстве же случаев порозность аэрации составляет Ю-^О1? и не лимитирует дыхание корневых систем растений (Зоронин, 1->8о).

Рассмотрение величин ВРК, а также интервала ВРК-НВ подтвердило известную для естественных почэ зависимость' их от гранулометрического состава и структурного состояния. Минимальные значения ВРК (10-15%) и наибольший интервал ВРК-Н5 (IC-I53) отмечались s преимущественно супесчанной толще внутреннего гидроотвала. В остальных случаях величины ЗРК составляли от 20 до "tG% при более узком интервале ВРК-НВ (5-10Я. •

Близость значений ВРК и НЗ в эт.см случае трудно оценить однозначно. С одной стороны, небольшой интервал BFK-H3 предполагает быстрое снижение подвижности почвенной влаги. 'ика-ко с другой стороны,данное обстоятельство практически исключает непродуктивное ее расходование на физическое испарение, тогда как оставшиеся в почве влагозяпасы способны,в сил\ значительного превосходства ЗРК над S3,обеспечить нормальный реет растений. Таким образом, небольшой интервал НЗ-ВРК техногенных почв, по крайней мере, не следует оцениоать негативно.

Известно, что ВЗ зависит не только от удельной поверхности, но и от плотности почв (Ревут, 1972). Именно поэтому максимальные вег чины данной почвенно-гидрологичсской характеристики ',15— '''') соответствовали наиболее плотным и тяжелим по гранулометрическому составу слоям-обоих внешних отвалов. Несмотря на столь значительные величины 33 данных слоев, диапазон активной влаги (ДАВ) доеольно широк - (2Q-2M), что обусловлено высоким содержанием влаги при НВ. Несколько уже ЛАВ (около ¿0?) в более легких слоях внутреннего бестранспортного отвала, 33 которых составляет I2-ISÏ.

Таким образом, практически все слои техногенных почв характеризуются дорольно широким ДАВ, что создает хорошие перспективы для накопления запасов продуктивной влаги.

'¿аясимальные значения МГ отмечены в наиболее тяжелых по гранулометрическому составу профилях "обоих внешних отвалов, где они составляли, в зависимости от плотности, I0-I9Ï от сб-чема. В толэе же обоих внутренних отвалов, большей частью характеризующихся меньшей степенью дисперсности и более рыхлым сложением, МГ в среднем почти вдвое меньше.

На основе экспериментальных данных было найдено уравнение зависимости влагосодержания техногенных почв ' W , от веса) от их удельной поверхности С S . м^/г) и .зазл^ч'.«'-

почвенной влаги (Р, атм):

-35,04 + 12,69^5- 4,02 Р

В области доступной влаги (0-15 атм) уравнение действительно для поче любого гранулометрического состава, за исключением песков ( 5<20 м^/г), и характеризуется высокими статистическими параметрами СК^=0,66; <5 =19,61; р «740). Это дает основание широко испсльзо?" .ч данное уравнение в научно-практических целях.

Глава 4. ГДДРОТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ТЕХНОГЕННЫХ ПОЧВ И ВМГООБЕЗСПЕЧЕННОСТЬ СОСНОВЫХ КУЛЬТУР

Оценка влагообеспеченности сосновых культур проводилась по запасам почвенной влаги с использованием почвенно-гицроло-гических характеристик.

Анализ данных показал определенную зависимость динамики влагозапасов от глубины исследуемого слоя. Наибольшей изменчивостью отличается слой 0-20 см, наименьшей - 50-100 см, что обусловлено различиями в корнеиасыщенности данных слоев и степени участия в процессах водообмена между почвой и атмосферой.

Большую часть вегетационного периода влагозапасы корне-обитаемой толщи техногенных почв соответствуют высокой и средней степени влагообеспеченности (рис. 2). Вместе с тем, в середине июля в верхнем полуметровом слое возможно кратковременное снижение влагозапасов до уровня низкой влагообеспеченности.

Созданные на отвалах искусственные сосновые фитоценозы оказывают определенное влияние на гидротермический режим молодых почв, степень которого зависит от густоты, возраста, таксационных показателей культур и состояния напочвенного покрова. Наиболее сильное влияние на влажность и температуру почвенных слоев оказывают сомкнутые культуры внешнего транспортного отвала и внутреннего гидроотвала, задерживающие до 30^7 осадков и в 1,Ь-2 раза снижавшие величину физического испарения. Положительное влияние напочвенного покрова проявляется в ослаблении амплитуды летних температур, угнетающих физиологические активные корни и ослаблявших почвообразовательные процессы в приповерхностных слоях. Однако с другой сторо-

14

1986 г. 1987 г.

О г.

б

Рис. '¿. Гидротермические условия верхней полуметровой толяи техногенных почэ внешнего транспортного отвала под сосновыми культурами 15-летнего (а) и 3-летнего возраста (б): I - влагозапасн, 2 - температура почвы на глубине '¿0 см (на 13 часов)

нъ\ активная десукция травянистой растительности значительно, уменьшает почвенные влагозапасы. Тленно слабая степень развития напочвенного покрова на наиболее молодых по временгг формирования внутреннем бестранспортном отвале и внешнем гидроотвале, а также участке опытных посадок на внешнем транспортном отвале во многом предопределила весьма неблагоприятный для роста саженцеЕ их температурный режим. Большую часть лета температура почвы на глуГ 20 см, которая характеризует тепловое состояние всей, ризосферы в целом (Димо, 1968, 1972), здесь превышала 1б°С (рис. 26), являющуюся верхней границей оптимума для физиологически активных.корней сосны, а поверхность нагрелась до 40-50°С.

Кроме того, микроклимат техногенных почв в значительной мере определяется кх водными и-тепловыми свойствами, обусловливаемыми гранулометрическим составом, структурным состоянием и плотностью сложения. Taie например, вследствие более легкого гранулометрического состава молодых почв под культурами 1972 г. на внутреннем гидроствале тепловое состояние и влагообеспечен-ность корнеобитаемой. толщи данного участка заметно отличались от аналогичных показателей близкого им по возрасту фитоценоза на Енешнем транспортном отвале. Однако и на том и другом участке гидротермические условия корнеобитаемой толщк значительную часть периода вегетации близки к оптимальным - влажность в интервале"БРК-НВ, температура -от 9 до 16°С (рис.2а).

Таким образом, формирующаяся в толще молодых почв отвалов гидротермическая обстановка не является фактором, лимитируюим рыраиивание искусственных сосковых насаждений. Более того, вследствие взаимосвязи и взаимообусловленности техногенных почв и произрастающих на них лесных культур происходит.довольно быстрое образование на отвалах вскрышных пород обстановки экологического соответствия между основными компонентами формирующегося биогеоценоза.

Глава 5. РОСТ И РАЗВИТИЕ ИСКУССТВЕННЫХ НАСАЖДЕНИЙ НА РЕКУЛЬТИВИРУЕМЫХ ЗЕМЛЯХ

Исследовались культуры сосны обыкновенной, созданные в 1972-74 и 1У81-82 гг. отделом рекультивации угольного разреза на отвалах без нанесения гумусового слоя. Контролем служили

сосновые культуры различного возраста, на темно-сер?.« лэсних слз-бсоподэоленяых почвах. Исследования проводились совместна с Г.11.Кузьминой, часть материалов которой использованы з га-йоте.

Анализ годичного прироста опытных посадок обнаружил - у-сестгенное его ослабление э первые года роста иа отвала? у. '.¿-3-ктатное последутппея увеличение при

■"елькой стабильности пригоста на контроле. Кроме того, наблюдаете» опте деленная тенденция к постепенному снияендщ хз''^^';;;-зсстя величлнч годичного прироста (г среднем с си до Зс"*;. /> — гоят^о, ото связано с т»м, что в первое у саженцеэ, эьг'ч-

»«»чх »а относительно богатых псчзах ле согг'томнитоэ. г~.п-д?т интвнсяЕнгк» рост корне? бел сутестзенкогс прироста галл- мчс* чаетт». Тем самым растения пак бы приводят спой асси?.га?=т:и-С'-нчй аппрат э соответствие с гозмстмостями минерально.'п гитан;-;* на малоплодородных техногенных субстратах, создавая бас/ для будучего активного роо-а, который и был отмечен поздно. . Большая не »ариабелъность прироста культур в год гх создания, обусловлена зчсо:«Р пространственной пестротой отвалоз, а следовательно. различиями а уровнях индивидуального обеспечен;»;» сая^/цея эле:." нтами питание я количестве "недосташей"ксгне^сй массы. Со временем эти различия нивелируются, что гтригодчт к ослабления изменчизости годичного прироста.

Рассмотрение таксационных показателе!? культур боле« старшего возраста показывает, что по средним значения» зысота (7-8 м) и диаметра на высоте груди (около 8 см) 15-летние искусственные насаждения на внутреннем гидроотгале и внешнем транспортном отзале сопоставимы с контролем и блязня по продуктивности к Г-Н бонитету. Довольно больссе количество сохранившихся саленцеэ (около 3 тыс./га) эо многом определило более высокие, по сравнения с контролем, величины сомкнутости пелога ■ против 0,5), сумму ¡поталей сечений (около ¿0 и 6,3 к*"/га соответственно) и запаса стволовой древесины (свыше 70 и около 30 ч3/-1 на контроле) культур на этих двух отвалах, фи этем сомкнутость полога, протяженность крон (свыше 7Со от длины ст?ола> -л раегггеделение сбаей Фитомассы (ствол - вет-

- хвоя - ¿¿-ЗГ^) сопоставимы с аналонглшми пояаяа-

-"?лям:« близких по возрасту молоднякоз кая естественного<л искусственного происхождения '' гай гас, К£с; цоликарпоа,

1962; Сбоева, 1974; Бузыкин, Пшеничникова, 1980; Габеев, 1968, 1977, 1982), Это позволяет заключить о соответствии лесорасти-тельных условий техногенных земель КАТЭКа экологическим требованиям сосны, что подтверждает и анализ динамики годичного прироста осевогс побега у созданных на отвалах культур. Его средняя величина, главным образом, благодаря незначительной конкуренции е:яе слабо развитого напочвенного покрова, в первые 7-10 лет несколько выше контроля (рис. 3). В дальнейшем происходит выравнивание приростов, объясняемое двумя причинами. Во-первых, это гыход саженцев на контрольном участке из-под влияния напочвенного покрова,, а во-вторых, усиление после смыкания культур на отвалах конкурентных взаимоотношений.

Таким образом, представленные материалы позволяют сказать, что лесорастительные условия, формирующиеся на отвалах вскрышных погод КАТЭКа, в целом соответствуют экологическим требованиям сосны, а рост и развитие создаваемых здесь сосновых культур существенно не отличается от их роста на зональных почвах.

Изучение процессов'формирования напочвенного покрова, яв-ляттегося важным, значительно ускорявшим процесс почвообразования на отвалах, компонентом лесных фитоценозов показало, что появление здесь травянистой растительности во многом обусловлено наличием вблизи техногенных земель естественных и культурных фитоценозов, а динамика ее видового состава и соотношения определяется естественным ходом зарастания отвалов. Так к началу наблюдений развитие напочвенного покрова1более молодых по времени формирования внешнем гкдроотвале и внутренней бестранспортном отвале соответствовало завершавшей стадии этапа пионерной группировки с преобладанием в видовом составе сорной растительности (мать— и-мачехи, кипрея, полыни обыкновенной, клевера ползучего, донника желтого, осота полевого). В напочвенном покроЕс сомкнувшихся культур на внешнем транспортном отвале отмечается вытеснение сорной растительности злаками (главным образом, пыреем ползучим, тимофеевкой луговой, полевицей белой, овсяницей луговой), которые становятся преобладающими видами. Вероятнее всего, это обусловлено обогащением молодых техногенных поче органическим веществом. В близких же по возрасту культурах на внутреннем гкдрсотвале доминируют полевой и зимующий хвоши, что объясняется лучшими условиями увлажнения. Особо следует отметить появление в составе напочвенного покрова лес-

§ 40-

8«

О О

20-

0

1975

1960

1965

Рис. 3. Динамика сезонного прироста осевого побега сосновых культур: I - на гнутренем гидроотвале, 2 - на внешнем транспортном отвале, 3 - на внеи:нём_гидрсотва.-е, \ - на внутреннем бестранспортном отвале, о - на темно-серых лесных почвах.

ных видов (скерды сибирской, майника двулистного, Фиалки лесной, грузинки круглолистной и др.), позволяющее судить о создании обстановки эксгогического соответствия, а также зональном типе сингенеза тр'аянистоЯ растительности в лесных культурах на техногенных землях.

Таким образом, показатели роста созданных на отвалах КАТЗКа искусственных сосновых фитоценозоэ и сложившаяся в них обстановка экологического соответствия позволяют заключить об активной их средообразуюяей роли. Однако для повышения зтой роли, а также более полного выполнения санитарно-гигиенических, рекреационных и защитных функций целесообразнее создавать на техногенных земля:; смешанные культуры* веодя в их состав виды, имении« высокое мелиоративное, эстетическое и экономическое значение (например, листеенницу сибирскую и березу повислую). При этем наивысший экологический эффект может быть достигнут при создании сложных по форме насаждений.

Б К В 0 А Ы

1. Неселективная -технология вскрыаш я цоршгрэвг.тя отва-лор обусловливает значительную пространственную пестроту физических свойств развивавшихся на них техногенных поче.

2. Молодке техногенные почва имеют довольно хорошо выра-гениую микроструктуру и значительную способность к образованию агрегатов более высокого уровня, однако, эти процессы еге находятся р начальной с

2. Показатели плотности сложения техногенных почв не являются критическими для роста корней сосноеыг. культур и в целом опеииваются как удовлетворительные. 3 среднем такой же оценкой характеризуется водопроницаемость.

■?. Установлена зависимость почвенно-гидрологических характеристик техногенных почв от удельной поверхности, оструктуран-нпс'и и плотности сложения. Экспериментально установлена возможность использования правмла С.Н.Тюремнове при исслеловани/ ТРАЧОГ^ИНЮ! почв.

5. Гилротермическяй. режим отвалов г пелом не является Лектором, лимитирующим выращивание на них лесных культур. Искусственные сосновые фитоценоэы оказывают заметное елияниь на микроклимат молодых техногенных почв. Наиболее благоприятные

гкдротермическне условия складываются в их корнеобитаемоР тол-те после смыкания крон культур.

6. ;;ля хода роста сосновых культур на техногенных почЕах лятдктерно ослабление сезонного прироста в первые 2 года, резкое его увеличение в последутске 5-7 лет, стабилизация и некоторое снижение е дальнейшем. В целом рост и развитие создан-.■:ъ~< на отвалах культур сосны сопоставимы с их ростом на зональ-,!утт. почвах и близки по продуктивности к 1-П классу бонитета.

7. Развитие живого напочвенного покрова в культурах происходит по зональному типу и е настоящее время соответствует начальной стадии сингенеза.

Ь. Вследствие взаимосвязи и взаимообусловленности техногенных почв и произрастапоих на них сосновых культур происходит ловольно Оыстрое образование обстановки экологического соответствия между основными компонентами биогеоценоза, приводящее к формированию елочных многокомпонентных и рысохопродук-тивных лесных экосистем.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. При исследовании плотности сложения техногенных почв для достижения уровня вероятности 0,50 требуется 13 определений объемной массы и 4 - удельной.

2. Во избежаниэ чрезмерного уплотнения отвалов,особенно сложенных породами тяжелого гранулометрического состава, работы по технической рекультивации следует проводить з период их минимальной влажности. 3 случае невозможности зтого целесообразно рыхление субстрата э посадочном ряду на глубину дс 50 см.

3. Пониженные элементы микрорельефа отвалов следует отводить под госадку видов, устойчивых к длительному затоплении.

С целью повышения устойчивости культур к различным неблагоприятным факторам и придания им большей эстетичности, а также получения наивысшего экологического эффекта более целесообразно создавать на отвалах смешанные по составу и сложные по форме искусственные насаждения.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Отвалы угольных разрезов КАТЭКа и перспективы их лесной рекульти".чции.//Вклад молодых биологов в решение вопросов продовольстсгшой программы и охраны окружающей среды. Тезисы докладов II конференции. Улан-Удэ, Ин-т биологии, 1987,с.60-62.

2. Водопроницаемость рекультивированных земель КАТЭКа. //'Исследование компонентов лесных экосистем (препринт). Красноярск, Ин-т леса и древесины им.В.Н.Сукачева СО АИ СССР, 1968, с. 23-2*.

3. Возрастная динамика сезонного прироста сосновых культур на рекультивированных землях КАТЭКа.//Изучение, охрана и рациональное использование природных ресурсов. Тезисы научно Я конференции. Часть I, Уфа, БНЦ УрО АН СССР,с.33.

1. Некоторые агрофизические характеристики рекультивированных земель КАТЭКа.//Тезисы докладов УIII Всесоюзного съезда почвоведов.Книга I, Новосибирск,ИЛА СО АН СССР, 1989,с.212.

5. Температурный режим рекультивированных земель КАТЭКа. //Изучение лсскьгх биогеоценозов (препринт),Красноярск, Ин-т леса и тревесинн им.В.Н.Сукачева СО АН СССР, 1989,с.'16-48.

6. Агрофизические особенности рекультивированных отеэлов угольных разрезов КАТЭКа. //¡1лодородие почв Восточной Сибири.

РАСХН, Сиб.отд-ние, Красноярский НИИСХ, Новосибирск, 1991, с.94-101.

7. Характеристика отвалов угольных разрезов КАТЭКа по плотности сложения н перспективы их леской рекультивации.// Проблемы использования канско-ачинских углей в энергетике. Тезисы докладов. Сиб филиал БТИ,-Красноярское краевое правление Российского НТО ьнергетиков и электротехников, ПО "Красноярскэнерго", Краснощек, 1991,с.122-123.

8. Почпенно-гидрологические константы техногенных почв КАТЭКа.// Использование и восстановление ресурсов Ангаро-Енисейского региона. Сб.науч.трудов, I том, Красноярск-Лесо-сибирск, 19<Л, с. 122-125.

'77Г X

Т. СТИ , т. 100 экз., за к. 545, оЪъгм I П. л. Подписано в печать 2.03.1993 г.