Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-биологические основы лесной рекультивации техногенных земель Кузбасса

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-биологические основы лесной рекультивации техногенных земель Кузбасса"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ СИБИРСКИЙ БОТАНИЧЕСКИЙ СДЦ

На правах рукописи

БАРАННИК Леонид Прокофьевич

ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛЕСНОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕХНОГЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ КУЗБАССА

03.00.16 - Экология 03.00.05 - Ботаника

А'в.тореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Новосибирск - 1992

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте лесной генетики и селекции.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор И.В. Таран доктор биологических наук, профессор Г.В. Крылов доктор биологических наук И.М. Гаджиев

Ведущее учреждение - Институт леса и древесины СО РАН.

^Защита диссертации состоится щ •/ * ¿¿¿¿Н^ 1992 г. в "/У" часов на заседании специализированного совета

Д 002.90.01 при Центральном сибирском ботаническом саде СО РАН.

630090, Новосибирск, ул. Золотодолинская, 101.

С диссертацией можно ознакомиться в•библиотеке Центрального сибирского ботанического сада СО РАН.

Автореферат разослан

Ученый секреатрь спецсовета к.б.н., с.н.с. \ Э'А. Ершова.

: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

I

- (

Актуальность. Площадь нарушенных земель в Кузбассе достигает 100 тыс. га. С учетом урбанизированных территорий - 250 тыс. га, общие потери земельного фоцца составляют около 1Ъ% всей площади региона, характеризующегося очень высокой плотностью населения (120 чел. на км2). Нарушение естественных ландшафтов горнодобывающими работа!® оказывается весьма существенным элементом, определяющим кризисную экологическую ситуацию, усугубляемую интенсивным загрязнением воздуха, почв, поверхностных и грунтовых вод химической и металлургической промышленностью, крупными ТЭЦ. По этим причинам восстановление биологической продуктивности нарушенных земель становится социальной проблемой, от успешности решения которой зависит нормальное существование населения. При этом лесной рекультивации принадлежит важнейшая роль в преобразовании и облагораживании окружающей среды. Лесная растительность отличается долговечностью, устойчивостью к неблагоприятным факторам. Она дает большую массу "живого вещества" на единицу площади и в целом обладает значительными средообразующими функциями. Все это придает лесной рекультивации приоритет перед другими видами рекультивации, что однако не снижает важности и необходимости последних.

Цель работы - разработать эколого-биологические основы лесной рекультивации техногенных земель в Кузбассе.

Задачи исследований.

- определить лесорастительный потенциал техногенных земель на основе анализа характеристик их эдафических свойств (водно-физических, физических, химических, микроклиматических и др.);

- исследовать особенности онтогенеза древесных видов, проявляемых: ими на рекультивированных землях;

- изучить процессы естественного зарастания нарушенных земель травянистой и древесной растительностью, как важнейшие критерии оценки лесорастительных условий;

- классифицировать деревья и кустарники по их пригодности для лесной рекультивации разных типов нарушенных земель и в разных природных зонах;

- оценить продуктивность лесонасаждений на рекультивированных землях и наметить способы ее повышения;

- разработать систему мероприятий по лесной рекультивации техногенных земель, включающую подбор ассортимента древесных видов, смешение лесных культур и принципы формирования лесных фито ценозов разного функционального назначения для специфических условий техногенных ландшафтов.

На-учная новизна. Расширено существующее представление о норме эдафических требований деревьев и кустарников на специфических субстратах нарушенных земель, в частности установлено, что отвалы горных пород пригодны для выращивания симбиотрофных видов деревьев и кустарников. На рыхлых насыпных грунтах у деревьев формируются мощные корневые системы, объем охвата грунтовой толщи и относительная масса корней выше, чем на зональных почвах, что в определенной степени компенсирует низкую концентрацию элементов минерального питания.

Установлено, что в толще породных отвалов интенсивно проходит процесс конденсации парообразной влаги, улучшающей влаго-обеспеченность растений.

Разработана классификация горных пород Кузбасса по их пригодности для лесной рекультивации.

Исследован процесс естественного зарастания отвалов горных пород травянистой и древесной растительностью в горнотаежной и лесостепной зонах региона.

Определены биоэкологические особенности 40 видов деревьев и кустарников, проявляемые ими в культуре на техногенных землях, на основании чего составлен ассортимент видов для различных условий.

Практическая значимость и реализация научных раз-работок. Выполненные исследования и опытные работы по теме диссертации явились основой для организации широкомасштабных производственных посадок леса на рекультивируемых землях в Кузбассе. По рекомендациям автора проведена лесная рекультивация отвалов пород угольных разрезов и планировочных полей шахт на площади около 9,0 тыс. гектаров, а также карьеров строительных материалов и других нарушенных земель на площади 0,5 тыс. гектаров. Созданные лесонасавдения имеют высокую продуктивность, устойчивы к неблагоприятным техногенным факторам, обладают высокими средообра-зующими функциями.

С 1974 года в состав лесных культур на рекультивируемых отвалах вводится облепиха крушиновидная. К 1990 году посажено около 1,3 тыс.га насаждений с участием в составе облепихи и 0,8 тыс.га чистых облепишников, этим создана сырьевая база денной ягодной и лекарственной культуры. На ее основе концерном "Кузбассразрезуголь" построен цех для получения облепихового масла и пищевых продуктов (с переработкой 1000 тонн ягоды в год).

Разработаны "Рекомендации по созданию лесных насаждений на отвалах угольных разрезов Кузбасса", утвержденные НТО Госкомлес-хоза СССР (1987). Суммарная стоимость разработанных по этим рекомендациям проектов лесной рекультивации отработанных земель составляет около 8 млн. рублей.

Защищаемые положения. I. Оценка лесорастительных свойств техногенных земель с экологической позиции.

2. Ассортимент видов местной арборифлоры и интродуцентов для облесения нарушенных земель.

3. Принципы, методы и приемы лесной рекультивации техногенных земель.

Обоснованность выводов и рекомендаций. Исследования по теме проводились с 1969 года на нарушенных землях угольных разрезов, шахт и других горнодобывающих предприятий. На 60 объектах рекультивации заложено около 150 пробных площадей, на которых выполнены комплексные почвенные, геоботаяические, лесоводствен-ные исследования. Обоснованность выводов и предложений подтверждается широким производственным опытом, наличием около 10 тыс. га лесных культур на рекультивированных землях в возрасте до 20 лет, созданных по•рекомендациям автора.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на УП Международном симпозиуме "Рекультивация ландшафтов, нарушенных промышленной деятельностью" в Забже, Катовице -Польша (1980), совещании стран-членов СЭВ в Новокузнецке, Меж-дуреченске (1985), Всесоюзных научно-практических конференциях, симпозиумах, совещаниях - "Рекультивация земель, нарушенных при добыче полезных ископаемых" (Орджоникидзе, 1977), "Охрана окружающей природной среды на предприятиях Министерства угольной промышленности СССР" (Москва, 1977), "Рекультивация земель в СССР" (Москва, 1982), "Рекультивация земель, нарушенных горными работами" (Кемерово, 1982), "Шахта будущего" (Новосибирск, 1973), "Экологические проблемы угольной промышленности Кузбасса" (Меж-

дуреченск, 1989), на Всесоюзных координационных совещаниях по рекультивации (Москва, 1974, 1978, 1979, 1983, 1987), региональных научно-производственных конференциях по рекультивации в Тарту (1978), Свердловске ( 1984, 1989), Воронеже (1985), конференции "Социально-экологические проблемы интенсификации открытой угледобычи в Кузбассе" (Кемерово, 1987), Всесоюзных семинарах по рекультивации в Новосибирске (1975, 1984), щколах-се-минарах МЛХРСФСР в Новокузнецке (1971, 1979, 1980, 1983), и ряде других.'

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 научных работ, в том числе I монография, 4 научно-популярных книги. Общий объем опубликованных работ 42 печ. листа.

Содержание и объем работы. Диссертация состоит из введения 7 глав, выводов, списка литературы. Она изложена на 282 страницах, текст занимает 260 страниц. В диссертации содеркится 30 таблиц, 25 рисунков. Список литературы включает 302 названия источников, в том числе 55 зарубежных авторов.

Глава I. ТЕХНОГЕННЫЕ ЗЕМЛИ И ИХ РЕКУЛЬТИВАЦИЯ

Рекультивация нарушенных земель слагается из комплекса горно-технических, эколого-биологических мероприятий, имеющих целью создание и ускоренное формирование на площадях, испытавших техногенное воздействие и освобождаемых после промышленных разработок, искусственных ландшафтов с продуктивным (почвенно-рас-тительным) покровом. Выбор направлений рекультивации должен способствовать наиболее рациональному использованию природно-климатических, горно-геологических условий, перспективе развития района разработок и обеспечить быстрейшее оздоровление экологической обстановки.

Задачей рекультивации является создание местообитаний, обе^ опочивающих восстановление биопродуктивности и выполнение сре-дообразующих функций. Это осуществляется в биологический этап рекультивации, который точнее следовало бы определить как фито-мелиоративный, поскольку растительность - главный "инструмент" преобразования нарушенных горными работами земель в продуктивные угодия.

Формирование биогеоценозов вообще, а на мертвых послепро-мышленных землях в особенности, идет под воздействием естест-

Ч

венной преобразовательной функции растительности, проявляющейся в закономерных изменениях экотопа, а также связанной с этим перестройкой всех остальных компонентов БГЦ. Средообразушцая функция растительности прямо пропорциональна биологической продуктивности, массе живого вещества (Еяллович, 1970). Восстановление растительных сообществ, особенно таких многокомпонентных как лесные, чрезвычайно сложно. Повторить естественные аналоги практически невозможно, но воздействовать на общее направление процесса формирования вполне реально. Так как преобразования, вызываемые растительностью, обусловлены в первую очередь биологическими особенностями видов - эдификаторов растительных сообществ, то задача сводится к их правильному выбору.

В аналитическом обзоре изложены проблемы рекультивации нарушенных земель в основных горнодобывающих регионах. Отмечаются различия в подходе к подготовке территории для рекультивации в европейских странах и США (КпаЪе , 1964; Limstrom , I964phapman , 196?). Приводятся результаты исследований по рекультивации в Германии ( Brüning , 1962; ferner , 1973), в Чехии ( Batejdl , 1971), в Польше (Скавина и др., 1973) и других странах.

В нашей стране вопросам формирования фитоценозов на техногенных землях, общетеоретическим аспектам рекультивации посвящены исследования В.В.Тарчевского (1964, 1970), Б.П.Колесникова (1974). Работы В.А.Овчинникова, Л.В.Моториной (1975, 1976) обобщают накопленный в стране и за рубежом опыт, формируют цели и задачи рекультивации. Проведены .исследования по таким ключевым вопросам, как типизация нарушенных земель, характеристика и классификация вскрышных горных пород (Попов и др., 1970; Горбунов и др., 1971; Масюк, 1974; Етеревская, 1979; Махонина, 1979), структура и организация пионерных биогеоценозов (Пикалова, 1978; Кандрашин, 1979), составление структурнофункциональных моделей техногенных экосистем и обменных процессов в них (Трофимов и др. 1979; Рагим-заде, 1979),' процессы гумусообразования и микробиологическая активность в молодых почвах (Таранов, 1975; Фаткулин, 1979; Наплекова и др., 1982).

По лесной рекультивации вопросы подбора древесных пород, оценки лесорастительных условий, разработки методов и приемов облесения нарушенных.земель решаются в исследованиях В.Н.Данько (1971, 1989), М.Я.Ревы, В.И.Бакланова (1972), Я.В.Паннова (1985), Э.В.Каара (1985), А.П.Травлеева (1988) и других.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ЗМЕЛЬ КУЗБАССА

Кузнецкий каменноугольный бассейн - один из крупнейших с стране. Общие разведанные запасы угля составляют 725 млрд. тонн. С начала интенсивной эксплуатации месторождения (30-е годы) добыто '4 млрд. тонн, из них 1,3 млрд. тонн открытым и 2,7 млрд. тонн подземным способом. Добыча такого количества угля сопровождается перемещением громадных масс горной породы. Ежедневно в отвалы отсыпается более I млн. м^ породы, а всего угольными разрезами сложено в отвалы 8,2 млрд. м3 вскрышных пород, при подземной добыче угля на поверхность вынесено около 0,6 млрд. м3 породы. Кузбасс,, занимая второе место в стране по добыче угля, находится на первом месте по объему перемещения в отвалы вскрышных и углевмещаюцих горных пород. Общий объем породных отвалов становится соизмерим с естественными горными образованиями, что дает повод говорить об "антропогенном орогенезе" (Трофимов, I97C

На долю угольной промышленности приходится 55,4 тыс.га нарушенных земель, предприятий черной металлургии - 2,2 тыс.га, цветной - 2,2 тыс.га, карьеры стройматериалов занимают 4,9 тыс. га, золоотвалы ТЭЦ около 2,0 тыс.га. 70% нарушенной при угледобыче площади занимают разрезы. Распределение объемов вскрыши на угольных разрезах по способам вывозки породы в отвалы следующие: автомобильным транспортом - 41%, железнодорожньм - 31%, бестранспортная (экскаваторная) вскрыша - 22% и гидровскрыша - 6%. Од-нако°отношение площадей отвалов, образованных тем или иным способом, из-за их различной емкости иное. Так, бестранспортные валовые отвалы занимают 8,1 тыс.га (33$), гидроотвалы 5,0 тыс. га {21%), автомобильные 6,7 тыс.га (27$), железнодорожные 4,7 тыс.га (19$). Внутренние породные отвалы (в выработанном пространстве) занимают всего 2,7 тыс.га общей площади нарушений, остальная масса вскрышных пород складируется за пределами горных отводов.

Из-за многообразия форм нарушенных земель необходима систематизация техногенных земель, как на отраслевом и региональном уровнях, так и всеобщая. В 1970 г. С.С.Трофимовым и В.А.Ов-■чинниковым была предложена классификация антропогенных форм рельефа Кузбасса, генетически связанных с технологией горных работ. Элементы рельефа подразделены на денудационные и аккумулятивные, которые в свою очередь характеризуются возрастом, каждому элементу рельефа соответствуют факторы, определяющие его возникновение и степень воздействия на природный ландшафт.

б

Имеются и другие детально разработанные классификации нарушенных земель (Тарчевский, 1964; Моторина, 1967; Горбунов и др., 1971; Масюк, 1974; Горлов, 1981). Работы по классификации техногенных земель логически обобщены в ГОСТе 17.5.1.02-85 "Охрана природы. Земли. Классификация нарушенных земель для рекультивации".

На угольных разрезах Кузбасса основными объектами лесной рекультивации являются отвалы вскрышной горной породы, отсыпанные при бестранспортной вскрыше угольных пластов. Из 3,0 тыс. га рекультивированных отвалов 2,2 тыс. га приходится на бестранспортные отвалы, подготовленные с различной степенью выравнивания поверхности - от частичной планировки бульдозерами до полного выравнивания шагающими экскаваторами.

При транспортной вывозке горной породы образуются плоские отвалы различной конфигурации, площади и высоты. Такие отвалы не требуют дорогостоящих работ по разравниванию, однако поверхность их бывает сильно уплотнена от прикатывающего действия большегрузных автомашин и бульдозеров.

Наибольшие объемы лесной рекультивации выполнены на подработанных шахтами землях (80% общей площади). Характер нарушения поверхности при подземной угледобыче определяется глубиной залегания, мощностью и углом падения угольных пластов, строением: покровной ' толщи , технологией добьш. Общее явление при подземной угледобыче - это образование провалов различной величины, трещин, воронок, мульд проседания.

Объекты, объемы и методы исследований. Полевые опыты по подбору древесных видов для целей рекультивации были заложены на частично спланированных отвалах бестранспортной вскрыши Бай-даевского разреза в 1969-70 гг. на площади 4,5 га. В последующие годы опытные участки по подбору пород, разработке схем смешения и исследованию других вопросов лесной рекультивации были созданы на Листвянском, Моховском, Осинниковском разрезах, на участках открытых горных, работ шахт им.- Волкова, Бургунекой. Всего на отвалах было заложено 23 опытных участков общей площадью 66 га. Расположение участков охватывает различные естественно-климатические зоны Кузбасса: Моховский разрез - в остепненной зоне Кузнецкой котловины, Листвянский и 1У участок Байдаевского разреза - в лесостепной зоне, Осинниковский и Байдаевский разрезы - в горно-таежной зоне, отвалы открытых горных работ шахты им. Волкова - в зоне предгорной тайги.

На опытных участках заложено 85 пробных площадей по исследованию факторов роста и оценки лесорастительных условий. Кроме них были заложены 40 пробных площадей в лесных культурах, созданных на рекультивированных землях. Пробные площади характеризуют спектр факторов, определяющих лесорастительные условия -климатические особенности зон, различия отвалообразующих горных пород, степень 'разравнивания и уплотнения отвалов, различия экспозиций откосов отвалов, степень разрушения горных пород от физического выветривания и прочее. Изучение хода роста древесных пород на шахтных землях проводилось на пробных площадях, заложенных в лесных культурах, созданных лесхозами на передаваемых им отработанных землях. На шахтах ПО "Южкузбассуголь", где общая площадь рекультивированных земель 4 тыс. га, заложено 12 пробных площадей; на шахтах ПО "Северокузбассуголь" - 5 пробных площадей.

Изучение хода роста, продуктивности, формирования лесонасаждений проводилось на 142 пробных площадях, заложенных на рекультивированных участках 5 угольных разрезов и 8 шахт.

В основу методики исследования приняты "Программа и методика изучения техногенных биогеоценозов" (1978), "Программа и методика биогеоценологических исследований" (1974), Водно-физические и агрохимические свойства горных пород и их элювиев изучались по общепринятым методикам (Аринушкина, 1962; Качинский, 1970; Вомперский, 1968). Круг специфических почвенных исследований и методики их выполнения определены "Инструкцией по поч-венно-литологическому обследованию техногенных ландшафтов Сибири" (1979), основные положения которой вошли в ГОСТ 17.5.1.0285. Выявление и анализ флиристического состава самозарастания техногенных земель производилось путем геоботанического описания пробных площадей (Раменский, 1971).

При учете конденсационной влаги в толще отвалов использовались конденсатомеры собственной конструкции.

В основу методики изучения древесных пород были положены разработки В.В.Огиевского (1964), В.Н.Габеева (1988), М.И.Калинина (1983), В.В.Смирнова (1971) и др. авторов.

Экспериментальный материал обработан статистическим методом при помощи ЭВМ.

Эффективность лесной рекультивации подсчитана по методике 1Ъсплана и ГИЗРа (1986), дополненной в части природоохранного эффекта расчетом средообразующих функций лесонасаждений.

Глава 3. 'ОЦЕНКА ЛЕСОРАСТИТЕЛЬНЫХ УСЛОВИЙ НАРУШЕННЫХ ЗМЕЛЬ УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ

Основными, вскрышными и углевмещающими горными породами в Кузбассе являются алевролиты, аргиллиты, песчаники. Сверху они покрыты рыхлыми отложениями, представленными карбонатными лессовидными суглинками в центральной части Кузнецкой котловины и бескарбонатными суглинками и глинами в горно-таежной зоне. Мощность рыхлых отложений колеблется от 20 см в степной зоне до нескольких метров в горно-таежной.

Большинство отвалов вскрышных горных пород характеризуются высокой каменистостью. Содержание скелетного материала в свеже-отсыпанных отвалах достигает 95%. По механическому составу мелкозем горных пород, слагающих отвалы, относится к суглинкам (от средних до тяжелых), местами - к легким глинам. Однако параметры физических свойств элювиев горных пород - водопроницаемость, аэрация, устойчивость против эрозии - не соответствуют таковым зональных почв с аналогичным мехсоставом, они более присущи грунтам легкого мехсостава.

Субстраты отвалов характеризуются высокой водопроницаемостью. Особенно она высока (провальная) на отвалах, сложенных песчаниками. Элювий аргиллитов рыхлого сложения также обладает высокой водопроницаемостью - до 6,0 мм/мин. На участках с уплотненными при разравнивании поверхностным слоем водопроницаемость была низкой - 0,30 мм/мин., на участках с частичным разравниванием отвалов породы оставалась удовлетворительной - 1,10 мм/мин.

Характерной особенностью основных вскрышных пород - алевролитов и аргиллитов является то, что в отвалах длительное время сохраняются каменистые (по величине) фрагменты этих пород, которые обладают определенной влагоемкостью. Такч влагоемкость фракций аргиллитов крупностью более 10 мм составляла 11-13$.

Рыхлость сложения грунтов предопределяет хорошую инфильтрацию, в тоже время они .имеют достаточно высокую влагоемкость, связанную с мелкоземным элювием горных пород и собственной вла-гоемкостью скелетных фракций. В течение.вегетационного периода общие запасы влага в корнеобитаемом слое сохраняются от 0,6 до 0,4 наименьшей полевой влагоемкости, продуктивной влаги в одно-

метровом слое породы - 109-202 мм, т.е. в пределах умеренно влажного режима влагообеспеченности.

С течением времени происходят изменения водного режима грунтов отвалов: с одной стороны, физическое выветривание увеличивает содержание мелкозема, что повышает влагоемкость, но это одновременно и увеличивает запасы малоподвижной влаги; с другой стороны, уплотнение грунта и образование иллювиальных горизонтов снижает водопроницаемость, что в свою очередь увеличивает'поверхностный сток и уменьшает запасы общей влаги. На этот процесс накладываются водорегулирующие функции созданных на отвалах лесонасаждений, которые увеличивают снегонакопление и водопроницаемость грунтов, снижают поверхностный сток и физическое испарение, но увеличивают транспирацшо влаги.

О значении конденсации водяных паров воздуха в водном режиме указывали многие исследователи. Однако, при количественной оценке этого явления существуют противоречивые мнения (Вялый, 1970; Колосков, 1937; Рейнюк, 1955). Конденсация парообразной влаги в толще отвалов проходит довольно интенсивно, достигая в горно-таежной зоне 160 мм в год, что равно примерно 1/3 суммы атмосферных осадков. Водяные пары, содержащиеся в поровом пространстве отвалов, конденсируются на глубине, при которой температура пород соответствует' критической температуре насыщения водяного пара (точке росы). В нашем случае эта глубина начиналась с 1,5-1,9 м.

Водяная эрозия на отвалах угольных разрезов Кузбасса не является существенным фактором, ограничивающим лесоразведение, как это имеет место в других горнодобывающих районах (Бурыкин, 1976; Васильева, 1974). Вскрышные породы здесь менее подвержены эрозии, из-за их высокой каменистости. Уменьшению линейного размыва способствует весенняя мерзлота грунта, отмечается только плоскостная эрозия, обычно на небольшую глубину, без образования глубоких промоин.

•При планировке поверхности грунты отвалов, (элювии аргиллитов и алевролитов) сильно уплотняются, в результате чего снимется водопроницаемость, влагоемкость, аэрация, усиливаются эрозионные процессы на склонах. Все это вызывает снижение прироста по сравнению с посадками на рыхлых неуплотненных грунтах. Различия в ¡юсте сосны на выравненных уплотненных и невыравненных рыхлых фрагментах отвалов в два и более раза в пользу последних (рис.1).

1С

Разравнивание отвалов создает более однородные лесора-стительные условия, но вместе с тем вызывает уплотнение грунта. Поэтому при проведении рекультивации возникает альтернатива - или разравнивать отвалы, при этом уплотняя грунт, но улучшая рельеф, или создавать лесопосадки на рыхлых не-спланированных отвалах. Компромиссным решением является частичное разравнивание - срезка вершин и гребней, выпола-живание крутых откосов, особенно южных экспозиций. При этом уплотнение грунта проис-в меньшей мере, чем при полном разравнивании.

Рост лесных культур свидетельствует о том, что горные породы отвалов обладают достаточным для древесной растительности потенциалом плодородия. В тоже время содержание основных элементов питания в горных породах и их элювиях по данным агрохимических анализов характеризуется как низкое. Основываясь на состоянии и росте древесных видов на рекультивированных землях,и с учетом оценочных показателей ГОСТа 17.5.1.03-78, горные породы Кузбасса классифицированы по степени их лесопригодности (табл. I).

Приведенные оценки лесопригодности относятся к отдельным "чистым" горным породам и их элювиям. Однако при их перемешивании в процессе вскрышных и планировочных работ образуются грун-тосмеси, выгодным образом отличающиеся от исходного материала. Смесь песчаников с аргиллитами обладает более оптимальными показателями водного режима - песчаники увеличивают водопроницаемость, аэрацию, аргиллиты повышают влагоемкость. Примесь глинистых минералов от выветривания аргиллитов обогащает грунтосмесь элементами минерального питания. В целом техногенные грунтосмеси имеют потенциал плодородия выше, чем слагающие их горные породы.

Оценивая лесопригодность породных отвалов по конечному эф-

Рис Л. Ход роста в высоту сосны на отвалах Байдаевского разреза: 1,2,3 - на грунтах рыхлого сложения (менее 20 кг/см'2); 4,5,6 -.на уплотненных фрагментах отвалов; 1-111 - линии бонитетов сосны по Тюрину.

Таблица I.

Классификация грунтов отвалов по лесопригодности

~ ~ показатели физического Горные породы по группам!и химического состава пригодности !С по ГОСТ 17.5.1.03-86)

1

¡Режим ув-¡Индекс" ¡лажнения ¡лесора-! ¡ститель !_____¡условий

1 - сухие 1|

2 - свежие ^

3 - влажные 1д

4 - сырые 14

I. - достаточно плодородные для древесной растительности: лессовидные карбонатные переотложенные лессы

П. - потенциально плодородные (но с отсутствием азота): аргиллит але-вролитовьй, алевролит мелкозернистый, глина алевролитовая, глина карбонатная

Ш. - малопригодные: по-лимикровый, гематизиро-ванный и алевролитис-тый, песчаники, кальци-товая глина

1У. - непригодные: скальные породы, устойчивые к физическому выветриванию, пиритосо-держадае породы

рНвод> 5,5-8,4; суша токсичных солейО,4%; СаСОо до 30/5;

<3 мг/ЮО г; 5% от емк. погл; суша фракций^, 01 мм - 10-75$. Химические показатели те же, различного гранулометрического состава

рЕдод^- 3,5-9,0; сумма токсичных солей

тоже, что и по I гр.

тоже, что и по I гр.

0,4-0,8%; СаСОд

30-

Чодв. - 3-18 мг/ЮО г; л'а - 5-20% от емк. погл.; различного гранулометрического состава в скальных породах химические показатели не определяются. Непригодные по химическому составу:

вод. подв.

Р^од." Д0 3,5; кЬ ->18 мг/ЮО г

скальные породы сухие, пири-тосодержа-щие;от сухих до сырых

П1 "2

1У1 1У2

1У,

1У/

фекту - росту деревьев, около 70% площади отвалов можно отнести к I и П группам, 20% к Ш группе и только 10% к 1У группе - непригодных. Причем, такое распределение относительно, поскольку в процессе гипергенеза довольно быстро меняются оценочные параметры, особенно физические свойства. Скальные породы, отнесен-

ные к непригодньм, в процессе физического выветривания за 2-4 года превращаются в рыхлые щебнисто-дресвяныа грунты с удовлетворительными лесорастительными свойствами.

Глава 4. ОЦЕНКА. ЛЕСОРАСТИТЕЯБНЫХ УСЛОВИЙ ПОДРАБОТАННЫХ ШАХТАМИ ЗЕМЕЛЬ

При подземной разработке глубинных месторождений угля и последующем оседании кровли происходит деформация поверхности, образование трещин, воронок, провалов различной формы и величины. Они дрэйируют грунтовую толщу до глубины рабочих горизонтов шахты, депрессионная воронка иссушения распространяется на обширную площадь; при засыпке и заиловке провалов, проводимых по технологическим требованиям, уничтожается растительность и почвенный слой.

Режим влажности грунтов на шахтных землях в определенной степени характеризуется изменением флористического состава растительности. Если до подработки площадей в составе существовавших здесь суходольных разнотравных лугов большой удельный вес занимали мезофильные растения (клевер луговой, лабазник, купальница азиатская и др.), то после проведения подземных горных работ в составе растительных сообществ начинают господствовать ксеро- и мезоксерофильные виды - полынь горькая, тысячелистник, поповник, пырей ползучий, льнянка обыкновенная и др. Такая смена растительных сообществ свидетельствует об иссушении местообитания.

На подработанных площадях часто наблюдается усыхание естественных лесов. Это вызывается в некоторых случаях разрывом корней деревьев при подвижке грунта. Но основная причина состоит в том, что леса здесь.выросли в относительно благоприятных условиях влагообеспеченности, и при резком снижении уровня грунтовых вод и общем иссушении почвенно-грунтовой толщи, деревья не могут быстро перестроится на новый} более жесткий режим водного питания и усыхают.

В главе приведены данные о состоянии и ходе роста древесных видов на рекультивированных полях шахт. Лесорастительные ус-• ловия шахтных полей, как производные от эдафических и гидрологических факторов, зависят от степени нарушения поверхности и ох! ватывают диапазон от вполне пригодных для всех используемых в

районе видов до малопригодных, требующих для лесовыращивания нанесения специального почвенного горизонта.

Глава 5. ДИНАМИКА СПОНТАННОГО ФОРМИРОВАНИЯ ФИТОЦЕНОЗОВ НА НАРУШЕННЫХ ЗЕМЛЯХ

Полная оценка пригодности техногенных земель бля биологической рекультивации возможна при использовании комплексного почвенно-геоботанического подхода, включающего характеристику физико-химических свойств горных пород с одновременным анализом процессов их самозарастания.

Естественное зарастание техногенных земель изучалось многими исследователями"(Тарчевский, 1966; Бакланов, 1966; Мот'о-рина, Ижевская,•1974; Шилова, 1970; Щербатенко, Шушуева, 1974; Каццрашин, 1974; Коццратюк, 1980). Авторы приходят к выводу, что характер заселения травянистой и древесной растительностью и формирования фитоценозов дает возможность судить о плодородии и,режиме влажности нарушенных земель.

Образование техногенных экосистем начинается с вызванных горнодобывающими работами катастрофических дигрессий естественных -биогеоценозов. Уничтожается растительность, фауна, почва, на поверхность выносятся глубинные горные породы. В процессе гипергенеза образуется техногенный элювий горных пород, не имеющий ничего общего с зональными почвами и представляющий относительно стерильный неоэкотоп, который осваивается организмами "с нуля".

Видовой состав поселенцев на первом этапе формирования фитоценозов зависит от возможного заноса семян с прилегающих территорий. Первоначальное заселение растений определяют механические и физические свойства поверхностного слоя горных пород, экспозиция откосов, создающие условия для прорастания случайно попавших сюда семян. В дальнейшем в растительном сообществе закрепляются растения, наиболее приспособленные к данному эдафотопу.

Поселение растений начинается в год прекращения горных .работ, но в некоторых случаях растения появляются только на второй-трвтий и даже на пятый год. Число видов увеличивается примерно в течение 10 лет, после чего их появление замедляется, но возрастает общее проективное покрытие и мозаичность

травяного покрова.

Пионерами зарастания в наших условиях являются виды семейств астровых, маревых, крестоцветных и других, относящихся обычно к однолетним сегетальным и рудеральным растениям. Эти виды обладают большой семенной продуктивностью, они в большинстве анемохоры, семена их не имеют периода покоя и в благоприятных условиях способны прорастать на поверхности субстрата без заделки. Пионеры обладают быстрым ростом, большой экологической пластичностью, мало требовательны к почвенному плодородию, цс> при отсутствии конкуренции других видов. По классификации Л.Г.Рамен-ского (1971) их можно назвать экслелерентами (выполняющими). Они-быстро заселяют свободные экотопы, но и быстро выпадают из ценоза. Это однолетние гелиофиты, приспособленные к открытым местообитаниям.

Ца стадии простой растительной группировки образуются сообщества с преобладанием корнеотпрысковых, корневищных и глубокостержневых видов. В лесостепной и степной зонах доминируют пырей ползучий, осот полевой, вейник наземный; в горно-таежной интенсивно разрастается иван-чай узколистный. Растения этой стадии относятся к патиентам (выносливцам), способны произрастать в суровых экологических условиях. В благоприятных местообитаниях они хорошо' развиваются и доминируют в ценозе несколько лет, но затем теряют превосходство, хотя и сохраняются в травостое до 15 лет и более. На этой стадии скорость сингенеза затормаживается.

В сложных растительных группировках уменьшается доля длин-нокорневищных видов и возрастает роль рыхлокустовых злаков, что обычно связывают с уплотнением субстрата. Стадию сложной растительной группировки можно назвать стадией виолентов (силовиков), которые захватывают территорию, вытесняют другие виды и создают впоследствии фитоценозы зонального типа. Как правило, это эдифи-каторы или субэдификаторы.

Оценивая характер лесовозобновления на отвалах, следует отметить, что количество появляющегося самосева по шкале оценки . ■ возобновления древесных пород для Западной Сибири (Крылов и др., 1958) определяется низким баллом. Тем не менее, учитывая специфичность местообитаний - сравнительно благоприятные эдафические условия, слабую конкуренцию травянистой растительности, а также то, что леса на отвалах имеют преимущественно защитное, а не эксплуатационное значение,-по нашему мнению'можно считать возобно-

вление достаточным (удовлетворительным) при 3-4 тыс, шт/га самосева в возрасте 5-10 лет и 0,6-1,5 тыс. шт/га в 15-18 лет.

Одно-, двухлетние всходы деревьев в массе погибают, что можно заключить как из непосредственных наблюдений, так и из соотношения количества всходов и наличия подроста, появившегося за период существования отвала. Так, на 12-летнем отвале в лесостепной зоне учтено (в пересчете на I га) подроста сосны высотой более 1м- 260 шт, от 0,2 до 1,0 м - 240 шт, всходов (до 2 лет) -640 шт, березы соответственно 290, 90 и 1240 шт. Если условно считать, что обсеменение происходит равномерно по годам, то ежегодно на гектаре поселяется около 50 экземпляров сосны и 40 березы, или выживает 1/10 часть всходов сосны и 1/30 часть всходов березы, т.е. "коэффициент благонадежности" 1-2 летнего самосева сосны равен 0,1 и березы - 0,03.

Поселение темнохвойных пород в первые годы после отсыпки отвалов происходит только единично. В последующие годы, когда древесный ярус из лиственных пород смыкается, создаются условия для возобновления коренных лесообразующих пород - пихты, ели, кедра.

Глава 6. ЛЕСНАЯ РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ

Лесообразующие хвойные породы на рекультивированных землях успешно приживаются и показывают удовлетворительный прирост. Вместе с тем следует отметить некоторые особенности их роста и развития, связанные со своеобразием экотопа.

Прирост саженцев сосны обыкновенной - pinus sylvestris и лиственницы сибирской - iarix sibirica в первые два года незначительный, на 3-4 год существенно увеличивается (рис. 2). Увеличение энергии роста происходит одновременно с повышением морозоустойчивости. Слабая морозоустойчивость саженцев в первые годы роста обусловлена недостаточной интенсивностью биохимических процессов, из-за чего растения не успевают подготовиться к зиме (одревеснеть) . В свою очередь низкий прирост после посадки объясняется тем, что у сеянцев, выращенных на относительно богатых почвах питомников, при посадке на малоплодородные грунты отвалов корневая система перестраивается, происходит наращивание корневой массы без значительного прироста надземной части. Относительный вес корней увеличивается с 23$ у 2-летних сеянцев сосны за 2

года после посадки до 42%. Период замедленного прироста у темнохвойных пород продолжается 4-5 лет, после чего повышается до нормального для данной породы.

Успешный рост и развитие хвойных пород на техногенных землях обусловлен микотрофным типом почвенного питания. Считается, что активное развитие микоризо-образукщих грибов возможно только в.почвах с содержанием органических веществ, т.к. поступлений последних от партнеров по симбиозу -дерева недостаточно, и гриб дополнительно ассимилирует их из почвы (Шубин, 1973).

Наблюдения за сосной на грунтах отвалов не содержащих органики в заметных количествах, показали, что в первые два года после посадки микоризность корневых окончаний саженцев была незначительная, порядка 0,2-0,3 баллов, но в последующем она .резко возрастает и даже превышает микоризность корней сосны на зональных почвах (табл. 2). С 4-5-летнего возраста в культурах сосны на отвалах в благоприятные по влажности периоды вегетационного сезона в массе появляются плодовые тела грибов рода масленников.

В фазу приживаемости сосна (и др. хвойные) развивается по "безмикоризному" типу почвенного питания. В этот период саженец не располагает излишком органических веществ, на которых мог бы развиваться гриб. После укоренения саженец производит уже некоторый избыток органического вещества, это дает возможность развиваться микоризе, что в свою очередь стимулирует его рост.

В отличие от корневых систем деревьев, растущих на почвах, где основная масса корней сконцентрирована в гумусово-аккумуля-тивном горизонте, на рыхлых грунтах отвалов корни распределены по глубине более равномерно и общая масса их больше (рис. 3).

Рис.2. Рост саженцев хвойных пород на отвалах: I - сосны, 2 г- лиственницы, 3 - кедра, 4 - ели, 5 -пихты.

Таблица 2.

Микоризность саженцев сосны

возраст '.Исследовано'.Распределение саженцев по! инт71„,тт, саженцев,! саженцев, ¡обилию микориз по баллам! - _Л£Т„ _!_ _штук _„!" "01 I У "2" Т 1!_с£95 _ „

а) на породных отвалах углеразрезов

1

2

3

4

5

2

3

4

32 35 42 40 40

20 25 15

24 26 12

8. 6 16 5 2

25 18

6 10 20

б) на зональных почвах 15 5 -15 10 • -6 9-

0,2 0,3 1,2 2,1 2,4

1,2 1,4 1,6

Примечание: 0 - микориза отсутствует, I - микориза на 1/4 и менее корневых окончаний, 2 - микориза на 1/4-1/2 корневых окончаний, 3 - микориза на 1/2 и более корневых окончаний.

Отношение массы корней к общей массе (тз возрасте 10 лет) в пределах 30-35$, что выше, чем у равновозрастных деревьев на ненарушенных почвах (22-25%).

г $О0 400 ¡00 гоо ко

г 500 200 МО

боо <оо зоо - гоо гоо

Рис. 3. Масса корней?8-легней сосны: а - на рыхлой породе (плотность менее 20 кг/см^; б - на уплотненной породе; в - на зональной почве; заштрихованы корни толще 5 мм, не заштрихованы -тонкие корни.

Лиственные древесные породы в меньшей мере используются при рекультивации, чем хвойные. В целом они более требовательны' к эдафическим условиям и мало используются в лесокультурной практике. Исключение составляет береза повислая - Ве-ьща реп-

dula, которая благодаря своим биоэкологическим качествам является пионером заселения вырубок, гарей, пустошей, в том числе и техногенных "пустырей" - отвалов вскрышных горных пород, не успевающих задернеть.

На отвалах береза повсеместно хорошо приживается (80-90$). Прирост в высоту в первые два года отличается от контроля мень-"шей интенсивностью, что характерно и для других древесных пород, на третий год прирост в высоту уравнивается с контролем. В возрасте 14 лет,ср. высота культур березы в лучших лесорастительных условиях составляла 6 м, в худших -4 м. Такая интенсивность роста березы на отвалах соответствует П-Ш бонитету и только в неблагоприятных эдафических условиях, вызванных уплотнением грунта или сухостью, растет по 1У бонитету.

Введение в культуру на техногенных землях тополя бальзамического - Popuius baisamif era , показало, что грунты отвалов имеют достаточное увлажнение даже для мезогидрофильных пород. На рыхлых насыпных грунтах тополь формирует мощную, глубоко проникающую корневую систему. В 16-летних посадках корни толщиной до 5 мм отмечены на глубине 4,5 м.

В тоже время вяз приземистый - uimus pumiia , являясь засухоустойчивым видом, не дает нормального для вида прироста (в 4 года ср. высота саженцев 78 см)', по причине недостаточной обеспеченности элементами почвенного питания, особенно азотом, о чем свидетельствует бледнозеленая (хлорозная) окраска листьев.

Мало пригодным для лесной рекультивации отвалов угольных разрезов оказались дуб черешчатый -Quercus robur и орех маньчжурский - Jugiana muidshuxica . Интрдукция на отвалах этих видов не дала положительных результатов, хотя использовались для этого семена уже акклиматизированных популяций.

Более успешны опыты по интродукции на отвалах шефердии серебристой -Shepherdia argentea И ОЛЬХИ ПУШИСТОЙ - A mus hirsuta. Шефердия, как и все виды сем. Лоховых, является азотофик-сатором, что с учетом других качеств делает ее ценной породой для рекультивации нарушенных земель.

Ольха пушистая также является почвоулучшающей древесной породой. В европейской части страны, в Польше, Германии, Венгрии, в США при лесной рекультивации широко используются ольха черная -A.glutinosa и ольха серая -A.incana , но в наших ус-

ловиях в культуре эти виды не встречаются. Аборигенный вид ольха кустарниковая - Duschekla .fruticosa приурочена к горным районам и перенос ее на более низкие высотные отметки не имел успеха - в опытных посадках по подбору она выпала в первый год. Для целей рекультивации необходимо иметь высокоствольную почво-улучшающую породу, которая смогла бы оказывать длительное мелиоративное воздействие, такой породой может стать ольха пушистая.

Оценка жизнеспособности методом интегральной оценки по 5 показателям (Лапин, Сиднева, 1983) дал максимальный балл перспективности - 65 для обоих видов (вполне перспективные).

Из кустарников наибольшего внимания заслуживает облепиха крушиновидная - Hippophae rhamnoides . Первые посадки облепихи на отвалах угольных разрезов произведены в 1971 году. Сеянцы практически полностью прижились, отпад в течение трех последующих лет происходил по случайным причинам и составил всего 6$. Зимних повреждений не было отмечено во всех местоположениях опытного участка, поэтому молено считать облепиху абсолютно морозоустойчивой породой.

Корневая система облепихи на отвалах состоит из сравнительно компактной мочки вертикальных корней, достигающих к 5 годам глубины 140 см и 4-7 толстых горизонтальных корней, распространяющихся до 4-6 м. Поверхностные корни проходят на глубине 20-30'см, здесь сосредоточено около всей массы корней, с глубиной корненасыщенность резко снижается. На уплотненных фрагментах отвалов корневая система облепихи более "прижата" к поверхности, вертикальные корни проникают на глубину не более, чем на 60 см. .

На 3-4 год после посадки появляется обильная корневая поросль, 2-метровые междурядья полностью .зарастают. Высота двухлетней поросли достигает 40-60 см, при этом она становится кор-несобственной, под каждым проростком образуется мочка вертикальных корней.

Поверхностное расположение корневой системы, а также обильное образование корневой поросли у облепихи способствует быстрому закреплению поверхности отвалов, предотвращает водную эрозию откосов, На бедных грунтосмесях'отвалов облепиха выступает в качестве почвоулучшающей породы, накапливая азот в доступных формах. Югубеньки на корнях облепихи образуются в первый год после посадки, у трехлетних кустов на I пог. метре корней

насчитывается от 3 до 8 клубеньков диаметром от 5 до 25 мм. На корнях 8-летнего модельного куста облепихи зафиксировано 650 г клубеньков, их в 2-3 раза больше и они крупнее, чем у одновоз-растной облепихи на ненарушенных почвах.

Плодоношение облепихи на отвалах наступает на третий год после посадки. В 8-летних насаждениях облепихи, созданных посадкой 2-летними сеянцами, урожай ягод составил от 1,6 т/га до 3,0 т/га (табл. 3). В посадках облепихи сортовыми саженцами на отвалах Моховского разреза урожайность в 1984-86 гг. составляла 4-5 тонн/га.

Таблица 3.

Урожайность облепихи на отвалах Байдаевского разреза в 1985

году

Т ~ ТВысо-ТПопёре-Т Бес

¡модель-

та.

чник

Местоположение ! ного !кус- ¡куста,

¡плодов ! с

"Кэл-во ТУрэжаи плодоно-! ягод, сящих ! кг/га

1 куста ! та, ! см ¡куста, кустов !

1 X см J. 1 _г на I га!

Ровная вершина I 215 184 850

отвала (плакор) 2 195 165 1480

3 240 210 1410

Среднее: 214 186 1240 1650 2040

Северо-восточный 4 240 185 1560

откос крутизной 5 220 176 1690

8° 6 245 200 1790

Среднее: 235 187 1660 1780 2950

Юго-западный 7 188 152 840

откос крутизной 8 195 165 1280

10° . 9 . 187 .158 860

Среднее: 190 158 990 1620 1600

Перспективным мелиоративным кустарником оказался лох серебристый - Eiaegnus argéntea, интродуцированннй североамериканский вид. Он дает обильную корневую поросль, корневая система типично поверхностная (до '20 см сосредоточено 80% корней). Корни лоха, в отличие от корней облепихи, имеющих гидроморфное строение, более прочные на разрыв, что способствует предотвращению оползней грунта на крутых откосах.

Из других кустарников хорошие показатели роста на отвалах имеют карагана древовидная -Caragana arborescens , смородина золотистая -Ribes aureum, вишня песчаная -JEnmus besseyi

Приведены также данные о состоянии и росте высаженных в полевых опытах следующих видов: кизильник черноплодный -Cotoneaster meianocarpus . спирея средняя - Spirea media , спирея зверобое-листная -s .hipericifolia , роза морщинистая -Hosa rugosa , роза иглистая -R.acicularis , боярышник кроваво-красный - Crataegus sanguínea , яблоня ягодная - Ш1иа baccota , груша уссурийская -pyrus ussuriensis , рябинник рябинолистный - Sorbaria sorblíolia, черемуха обыкновенная - padus avium , черемуха Ма-ака -p. maacii , рябина сибирская -Sorbus sibirica , арония черноплодная -Aronia meianocarpa , жимолость татарская -Lonicera tatarica , жимолость обыкновенная -L.xylosteum , бузина сибирская -Sambucus sibirica , свида белая - Swida «aba , барбарис сибирский -Berberís sibirica , клен приречный - Acer

giimaja.

Обобщенные биоэкологические характеристики используемых для рекультивации видов и соответствие их определенным лесораститель-ным условиям, полученные на основе 20-летних наблюдений в опытных и производственных лесных культурах, приведены в таблице 4.

Таблица 4.

Еиоэкологическая характеристика древесных и кустарниковых пород, используемых при лесной рекультивации, их соответствие лесорастительным условиям

ТМоро-ТЗасу-ТСве-!Трёбо-ТНыст-ТМёлй-ТХозяй-!Индекс"

!зос- !хоус-Семейство, вид!той- !тонкость !чиво-! !сть

I

111III11 т "3'

Сосновые Сосна обыкнов. Лиственница сиб Ель сибирская Пихта сибирская Кедр сибирский Ивовые

Тополь бальзам.

Тополь белый

Ивы козья, серая, русская

Березовые

то- !вате- !рота !ора- !ствен-!лесора-лю- !льно- ¡роста!тив- !ная ¡стите-бие !сть к ! !ные ¡ценно-!льных ¡плодо-! !свой-!сть ¡условий

! ! тодаю ! ~ Т ~3~ Т "4"! 5" Т "6"

!ства Т ^7~

В "!'

"9"

1-2

1

2 2

1-2

I I

■ I 2 I 1-2 2 I П"Ш1-2

2 I 2 . I 2 I П_Ш1-3

3 3 2 2 3 I п-Шг-з

3 3 2-3 2 3 I п-ш2_з

2-3 2-3 1-2 2 3 I п-Шг-з

2-3 I 2 I 2 2 П2-4

2 I 2 I 2 2 П2-3

3-4 1-2 2 1-2 I 2 П3-4

~ " ~ "12 2 11С : 21 С 3 I! С I I! С §Т С 5 I С 1 Г С 2 "!" "9" "

Береза повислая I I I 1-2 1-2 2 2 П"Ш1-2

Береза пушистая I 2 2 1-2 1-2 2 2 ^2-3

Ильмовые

Вяз приземистый 2 2 2 3 3 2 2 ^-З

Вяз гладкий 2 2-3 2-3 3 3 2 2

Кленовые

Клен ясенелистн. 2 2 I 2-3 2-3 3 2 -2-3

Югея приречный 2 3 2 2 2 _ 3 I ^2-3

Липовые

Липа мелколиста. I 3 3 3 3 2 I ^-З

Маслинные

Ясень пенсильван. 2 2 I 2 2 2 2 "2

Лоховые

Лох узколистный 3 1-2 I 2 2 2 2

Лох серебристый I 1-2 1-2 I 2 I 2 п-^-з

Облепиха крушин. I 2 I I I I I п~ш1-3':

Щ<эфердия серебр. I 2 I 2 2 I I '^2-3

Бобовые

Карагана древов. •I 2 2 1-2 I I I п-ш2_з

Розоцветные

Вишня песчаная 2 2 2 2 3 3 I

Вишня войлочная 1-2 2 1-2 2 2 2 I Ч

Роза морщин. 1-2 2 I 2 2-3 I I П2-3

Арония чернопл. 2 2-3 2 3 3 3 I Х2-3

Рябина сибирская I 2 2-3 2 2 2 I 1_П2-3

Черемуха обыкн. I 3 3 3 3 3 I Х3-4

Кизильник черноп. I I 2 2 3 3 2 1-П2

Спирея средняя I 2 2 2 3 3 2 1-112

Рябинник рябин. I 2 2 2 2 1-2 2 "2-4

Яблоня ягодная I 2 2 2-3 3 3 I 1-П2

Крыжовниковые

Смородина золот. 1-2 1-2 2 2 2 2 I П2-3

Жимолостные

Бузина сибирская I 2 2-3 2 2 2 I п-ш2_3

Жимолость татарс. I 1-2 2 2 2 1-2 2 П1-2

Лереновые

Свида белая I 2 2 2 2 3 2 Чг-з

Степень тех или иных качеств характеризуется баллами. Морозостойкость: I - высокая или абсолютная, обмерзаний не наблюдается; 2,- достаточно высокая - происходит, только частичное обмерзание саженцев в первые годы жизни на непокрытых снегом поверхностях отвалов; 3 - недостаточная - происходит обмерзание молодых побегов, возвышающихся над снегом; Засухоустойчивость: I - ксерофиты; 2 - мезоксерофиты;. 3 - мезофиты; 4 - мезогигрофиты. Требовательность к почвенному плодородию: I - олиготрофы и эвритрофы; 2 - мезотрофы; 3 г- мегатрофы. Светолюбив: I - произрастают только на открытых местообитаниях; 2 - менее светолюбивые - выносят незначительное затенение; 3 - теневыносливые - могут произрастать под пологом других древесных пород. Быстрота роста: I - быстрорастущие - прирост по высоте в'благоприятных условиях превышает 50 см; 2 - средние по интенсивности роста - прирост по высоте в пределах 20-50 см; 3 - медленнорастущие деревья и кустарники - текущий прирост не прившает 20 см. Мелиоративные качества: I - быстрорастущие корнеотпрысковые виды, азотонакопители; 2 - средняя степень качеств - обладают высокой энергией роста, имеют разветвленную корневую систему; 3 - низкая степень - отсутствие вышеприведенных качеств. Хозяйственная ценность (пищевые плоды, медо-носность, фитонцидность и др.): I - безусловно ценные виды; 2 -нейтральные или с невыявленными свойствами.

Глава 7. ПРИНЦИПЫ ФОНДИРОВАНИЯ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ НА ПОЛЯХ РЕКУЛЬТИВАЦИИ

Нарушенные земли, сложенные из осадочных горных пород, пригодны для выращивания продуктивных лесонасаждений без специальных работ по образованию рекультивационного почвенно-грунтового горизонта. Нанесение плодородных или потенциально-плодородных грунто! на поверхность отвалов требуется только при облесении горельнико! или скальных, устойчивых против физического выветривания горных пород.

Формирование лёсных фитоценозов протекает в направлении восстановления зональных типов растительности. Этот процесс проходив более интенсивно под пологом темнохвойных древесных видов - ели, пихты, являющихся сильными эдификаторами, менее интенсивно - под сосной.

Характерной особенностью лесных сообществ на техногенных

землях является то, что формируются они на "первичных экотопах" свободных от всякой растительности. Деревьям не приходится вступать в конкуренцию за ресурсы жизнеобеспечения. Здесь отсутствуют продукты метаболизма предшествующих растительных формаций, зачастую являющихся ингибиторами роста. В условиях относительной "стерильности" молодых почв микоризообразующие грибы, клубеньковые актиномицеты..и бактерии имеют более благоприятные условия для своего развития, чем на зональных почвах.

Созданные на техногенных землях лесонасаждения в ряде случаев имеют продуктивность выше, чем бывшие здесь до проведения горных работ. Так, в зоне черневой тайги класс бонитета коренных осиново-пихтовых лесов в среднем Ш. Посаженные на их месте в процессе рекультивации сосняки имеют 1-П класс бонитета. В лесостепной зоне прилегающие к техногенным землям сосново-березовые леса характеризуются П-Ш классами бонитета, а на отвалах средний класс бонитета сосны (в 20 лет) 1,5, лиственницы - 1,2, березы - П,0. Это объясняется улучшением физических и водно-физических условий местопроизрастания (рыхлое сложение насыпных грунтов, хорошая аэрация, отсутствие застойного увлажнения), а также высокой степенью адаптации используемых древесных видов к специфическим условиям техногенных земель.

Продуктивность созданных на породных отвалах сосновых культур (табл. 5) аналогична равновозрастным культурам зоны южной тайги и лесостепи Западной Сибири (Огиевский, 1975). На отработанных шахтных землях с провальными формами рельефа запас стволовой древесины - 60 м3/га (ср. возраст 17 лет), что несколько выше, чем у одновозрастных культур сосны на серых лесных суглинистых почвах (48 м3/га), но ниже запасов культур такого же возраста на оподзоленных черноземах (80 м3/га).

Для оценки фитомассы насаждений, созданных на техногенных землях, проведен фракционный анализ модельных деревьев сосны (табл. 6). В пересчете на площадь фитомасса культур сосны соответствует растительной массе сосняков разнотравных лесостепной зоны Западной Сибири (Габеев, 1988). Следует отметить различие во фракционном составе: если в естественных сосняках в корнях накапливается 16,8-17,6$ общей массы, то на отвалах корни составляют 24-30$.

Регрессивным анализом параметров модельных деревьев установлена зависимость между диаметром и возрастом, высотой, весом ветвей, хвои, ствола. Возраст сосны аппроксимируется уравнением ли-

Таблица 5

Продуктивность сосновых лесных культур на породных отвалах

! Т ~"Т ТКол-во Т Напас Т Т М !Воз-¡Средняя ¡Средний !деревь-!стволо-! Средний! Класс:,.бони-лробной!раст;!высота, ¡диаметд! ев, !вой дре-!прирост,! тета площади! лет! м ! см ! шт. !весины,! !(по Тюрину) ____!_._!___1___Хна I га1м!/га_ 1 " 'Л 1____ _ .

1-88-Б 20 10,5 10,2 2300 78 3,6 1-а

2-88-Б 19 8,5 9,0 2200 55 2,8 I

3-88-Б 18 7,0 7,3 2050 53 2,9 П

1-82-В 20 8,3 9,3 2400 68 3,4 I

1-88-Л 16 5,2 6,3 3100 40 2,5 П

2-88-Л 16 5,7 6,3 3100 42 2,6 П

2-84-Б 16 6,0 6,5 3150 45 2,8 п

1-82-М 18 7,4 7,0 2800 '54 3,0 I

'2-82-М 18 8,0 8,4 2600 58 2,2 I

3-82-М 18 6,9 7,4 2700 54 3,0 П

1-90-Б 19 9,8 10,2 2650 66 3,5 1-а

2-90-Б 18 ' 8,0 8,8 2100 50 2,8 I

2-90-Л 18 7,6 7,6 1950 41 2,7 I

2-90-Л 17 5,8 6,4 2800 53 3,1 п

4-90-Б 17 6,2 6,6 3000 60 3,5 п

Таблица 6

Фракционный состав модельных деревьев сосны

"1® Т Боз-ТВысо-Т Диа-Т Вес фракций ~(кг~в~воздушно-сухом видеХ ' мод.'.раст,! та, !метр, !мертвыеТживыеТ"_ „¡ствол с!корни с! мтп-рп де;р.! лет 1 м ! см ! ветки ¡ветки! ! корой ! пнем !

I 18 8,2 9,5 1,6 7,2 4,7 18,3 10,8 42,6

2 18 8,3 8,2 3,2 5,3 3,3 17,9 8,4 38,1

3 16 6,5 7,5 0,6 4,5 2,1 9,6 ' 4,8 21,6

4 21 : 12,2 12,0 4,0 П,1 5,0 36,1 16,7 64,9

5 21 ; 10,0 12,7 5,0 10,4 7,9 35,1 16,0 74,4

6- 18 7,2 9,7 3,0 6,2 4,8 20,1 10,2 44,3

7 18 7,8 ■ 9,8 1,0 6,4 5,0 22,4 12,3 47,1

.8 18 8,5 8,5 3,1 5,3 4,8 20,4 20,4 38,7

9 16 6,4 7,3 0,9 4,6 2,6 11,7 4,0 23,8

10 16 6,5 7,3 0,8 5,6 3,1 12,2 7,7 29,4

II 16 ' 5,8 6,5 0,2 4,0 2,2 10,6 6,2 23,0

нейной зависимости: у=6,163+1Д24х (коэф.* корреляции 0,617). Вы-

сота от диаметра зависит в соответствии: у=-1,147+0,919х (коэф. корреляции 0,728). Соответственно: вес ветвей у=-16,671+2,787х (коэф. корреляции 0,844); вес хвои у=-6,272+1,150х (коэф. корреляции 0,878); вес ствола у=-36,434+6,189х (коэф. корреляции 0,973),

Полученные уравнения связи использованы для подсчета биопродуктивности участков лесных культур, а через нее - кислородопро-дуктивности, пыяегазологлощения, .фитонцидности, определяющих при-родовосстановительный эффект лесной рекультивации.'

При подсчете санитарно-гигиенических функций лесонасаждений на рекультивированных шахтных поляхI учитывались продуцирование кислорода, как результат прироста древесной массы, поглощение пыли и газов, фитонцидность. В зависимости от древесной породы, возраста, полноты, лиственного индекса (га/га), запаса древесины они составляют-определенную часть от максимальных значений, за которые приняты: кислородопродуктивность - 7 т/га/год, пылегазопоглощение - 9,1 т/га/год, фитонцидность - 452 кг/га/год (Успенский, 1985). Суммарный экологический эффект 2600 га лесонасаждений на шахтных землях, рассчитанный по продуктивности отдельных участков, равен 2460 тыс. руб в год, или 946 руб/га в год (в ценах 1985 г.).

В насаждениях облепихи побочное пользование превышает в суммарном выражении другие полезности. Урожайность за 1985-88 гг. составляла на всей площади облешшников 30 цнт/га (от 10 до 45 цнт). Если принять хозяйственно возможный сбор в размере 50% от биологического урожая и заготовительную цену 1-60 руб за кг, то I га дает продукции на 2400 руб.

Суммируя подученные значения хозяйственного, природоохранного и природовосстановительного эффектов, рекреационных функций и побочного пользования, и соотнеся эту величину к площадям, которые обладают учитываемыми качествами, получаем общую эффективность лесной рекультивации шахтных земель в сумме 10 млн. руб,- открытых горных работ - 6 млн. руб.

Лесные насаждения создаются при всех направлениях рекультивации. Обязательно закрепление крутых откосов отвалов противоэро-зионными насаждениями, посадка полезащитных лесных полос. Водохозяйственная рекультивация предусматривает закрепление береговой полосы древесной растительностью, посадку водоохранных лесных зон. При организации объектов отдыха необходимы лесонасаждения ландшпфтно-декоративного характера. Использование нарушенных земель для промышленного и жилищного строительства также сопровож-

дается посадкой декоративных деревьев и кустарников, как элементов внутригородского озеленения.

При создании насаждений любого целевого назначения следует отдавать предпочтение смешанным типам'лесных культур. Учитывая 61 ологические особенности используемых при лесной рекультивации видов, целесообразно кулисное смешение лесо'образующих видов и. мелиоративных кустарников.

Рациональна такая схема смешения: С-С-С-Об-Об-С-С-С-Об-Об-. Облепиха, как быстрорастущий кустарник, способствует равномерному распределению снега, обеспечивает сосну дополнительно азотным питанием. Смешение этих пород в рядах приводит к затенению сосны уже на 2-й год, а при смешении через I ряд затенение сосны неизбежно на 3-й год. На 3-4 год после посадки облепиха начинает плодоносить, насаждение используется для сбора ягод. Ко времени ее старения (15-20 лет) высота сосны достигает 7-9 м, образуется сос новое насаждение с небольшой примесью облепихи куртинами в местам где она не затенена сосной.

Возможно использовать в качестве мелиоративных кустарников лох серебристый, карагану древовидную, бузину сибирскую. Поскольку эти кустарники менее светолюбивы, чем облепиха, и не являются плодовоягодными, нет необходимости создавать из них кулисы, применяются рядовые схемы смешения.

На крутых (более 20°) откосах отвалов при создании почвоу-крепляющих насаждений необходимы быстрорастущие корнеотпрысковые кустарники. Этими качествами обладают многие кустарники, но жесткие эдафические условия на крутых откосах ограничивают ассортимент видов, пригодных для этого. Ивы, рябинник рябинолистный, роза морщинистая, спиреи средняя и дубравколистная пригодны для создания противоэрозионных насаждений только во влажных более плс дородных местообитаниях. Лучшие противоэрозионные качества во вс? условиях проявляют лох серебристый и облепиха крушиновидная.

Подобны противоэрозионным и методы создания временных сани-, тарно-защитных насаждений. Необходимость в них возникает в тех случаях, когда какой-либо участок не отработан полностью, или находится в консервации, и следует предотвратить вредное воздействие нарушенных земель на прилегающие' территории.

При создании плодовоягодных плантаций облепихи на рекультивированных землях используется сортовой посадочный материал. В ряде случаев на отвалах целесообразно создавать облепишники,

средние по составу между плантациями и смешанными лесонасаждениями с облепихой. Например: 4 ряда облепихи, 2 ряда древесной породы, при этом облепиха высаживается по плантационной схеме размещения -3x2 м, древесные породы плотнее - 2 х I м. Смысл такой посадки - максимально долго использовать площадь для получения ягод облепихи, но посла ее старения не раскорчевьь-вать участок, а иметь полноценное древесное насаждение.

Ландшафтно-декоративные насаждения создаются вблизи селитебных территорий, в местах организации зон отдыха. Жестких схем смешения древесных пород в этом случае быть не может, состав и размещение древесных пород зависит от почвенно-грунтовых условий нарушенных земель, форм рельефа, наличия посадочного материала.

ВЫВОДЫ

1. Грунты отвалов характеризуются благоприятными для лесной растительности водно-физическими свойствами. Из-за рыхлого сложения они имеют удовлетворительные показатели водопроницаемости, аэрации. Влагоемкость отвальных грунтов определяется как содержанием в техногенном элювии горных пород мелкоземной фракции, так и тем, что каменистые фрагменты пород обладают существенной, порядка 11-13$, влагоемкостью. Высокая аэрация и климатические особенности региона создают условия для конденсации парообразной влаги в толще отвалов (в горно-таежной зоне до 160 мм в год). Запасы влаги на отвалах вскрышных горных пород сохраняются в течение вегетационного периода в пределах 0,4-0,8 наименьшей полевой влагоемкости.

2. Корневые системы деревьев в рыхлых грунтах отвалов развиваются более свободно, чем на зональных почвах; глубина проникновения корней и в целом объем ризосферы у деревьев на отвалах больше. Отношение массы корней к надземной массе в 1,5-1,7 раза выше на отвалах по ¿равнению с почвами. Большой объем грунта, используемый ризосферой деревьев,компенсирует низкую концентрацию ■элементов зольного питания в техногенных элювиях горных пород, улучшает влагообеспеченность.

3. Гидрологический режим подработанных шахтами территорий определяется дренирующим действием провальных форм рельефа и отличается от зонального большей ксерофитностыо. Лесораститель-

ные условия шахтных полей зависят от степени нарушения поверхности и находятся в пределах от вполне пригодных для всего ассортимента древесных пород до мало годных, требующих для лесо-выращивания нанесения плодородного слоя почвы.

4. Оценка лесорастительных свойств техногенных земель по показателям плодородия и увлажнения подтверждается и дополняется анализом процессов естественного зарастания. На преобладающей площади нарушенных земель фитоценозы сравнительно быстро, за 12-17 лет, проходят стадии пионерной, простой и сложной растительных группировок. Еаоэкологический спектр спонтанно поселяющихся видов характеризует эдафические свойства неоэко-топов, а сингенетические сукцессии отражают гипергенные преобразования субстратов отвалов.

5. По сочетанию показателей плодородия и увлажнения и с учетом других факторов, определяющих рост деревьев, горные породы классифицированы по степени лесопригодности. Удовлетворительные показатели роста древесной растительности в полевых опытах позволили расширить диапазон потенциально-плодородных грунтов, пригодных для лесной рекультивации непосредственно, без нанесения на них более плодородных грунтов. Гетерогенные грунтосмеси (элювии песчаников с аргиллитами) обладают лучшими лесорастигельными свойствами, чем их составляющие в отдельности.'

6. Из-за низкой концентрации подвижных форм элементов зольного питания и почти полного отсутствия доступного азота в грунтах отвалов, преимуществом в росте и развитии обладают древесные виды олиготрофы и эвритрофы, режим почвенного питания которых определяется симбиотическими связями с микоризооб-разующими грибами и микроорганизмами.

7. Из кустарников преимущество в росте также имеют виды -симбиотрофы. Особенно следует выделить облепиху - на отвалах она отлично приживается, быстро растет, ежегодно и обильно плодоносит, проявляет высокие мелиоративные качества: обогащает почву азотом и закрепляет корневой порослью поверхность отвалов от водной эрозии. Введение в культуру на "бросовых землях" облепихи позволило создать сырьевую базу (в настоящее время около 2 тыс. га, с перспективой расширения до 10 тыс. га) для получения пищевых продуктов и лекарственных препаратов.

8. Оценены в баллах биологические свойства более 40 видов

деревьев и кустарников, проявленные ими при произрастании на техногенных землях, в частности: морозоустойчивость, засухоустойчивость, светолюбив, требовательность к почвенному плодородию, быстрота роста, мелиоративные качества, хозяйственная полезность.

Особенности морфогенеза с учетом биологических качеств позволили классифицировать испытанные виды по степени пригодности для лесной рекультивации на группы: I - безусловно пригодные, в большинстве местоположений хорошо приживаются и имеют показатели роста, соизмеримые с таковыми на зональных почвах, обладают выраженными полезными качествами; 2 - ограниченно пригодные, для нормального роста требующие определенных условий (повышенной влажности и почвенного плодородия); 3 - мало или сомнительно пригодные, имеющие низкие показатели роста.

9. Соответствие биологических особенностей древесных пород лесорастительным условиям предопределяет высокую продуктивность лесонасаждений, создаваемых на рекультивируемых землях. Смешение лесообразующих пород с кустарниками-мелиорантами повышает энергию роста лесных культур. В 20-летнем возрасте культуры сосны с облепихой имеют I бонитет роста и запас стволовой древесины 80 м3 на I га. Оптимальным выбором лесообразующих пород и введением в состав мелиоративных кустарников возможно создавать насаждения с продуктивностью большей, чем на зональных лесных почвах.

10. Лесонасаждения на полях рекультивации обладают значительным природоохранным эффектом. Подсчет только по ряду параметров (кислородопродуктивности, пьшегазопоглощению, фитонцид-ности, хозяйственной полезности) дал условную сумму эффективности проведенной лесной рекультивации 16 млн. руб в год.

11. Для создания лесонасаждений на рекультивируемых землях различного целевого назначения - лесохозяйствепного, мелиоративного, сапитарно-защитного, плодово-ягодные плантации - разработаны схемы смешения лесных культур, прошедшие проверку в производственных масштабах.

Основные положения диссертации изложены в публикациях:

I. Лесная рекультивация отвалов угольных карьеров в Южном Кузбассе. //Рекультивация в Сибири и на Урале. Новосибирск: Наука, 1970. - С.96-89.

2. Естественное зарастание угольных отвалов в Кузбассе. //Охрана горных ландшафтов Сибири. Новосибирск: Наука, 1973.

3. Лесная рекультивация земель, нарушенных добцчой угля в Кузбассе.//Извест. СО АН СССР, сер.биолог.наук, J&5, вып.1,1974.

4. Лесопосадки на послепромышленных землях в Кузбассе.// Проблемы рекультивации земель в СССР. Новосибирск: Наука, 1974. - С.237-240.

5. О первичном почвообразовании на естественно зарастающих отвалах Байдаевского угольного разреза.//Проблемы рекультивации земель в СССР. Новосибирск: Наука, 1974. - С.195-204. (соавт. С.А.Таранов, И.Л.Клевенская, В.И.Щербатенко, К.В.Юдина).

6. Лесная рекультивация техногенных территорий юга Кузбасса.//Повышение эффективности лесного хозяйства в Западной Сибири. Новосибирск: Наука, 1976. - С.75-90.

7. Лес на "промышленных пустынях". Кемеровское книжн. изд.

1976. - 60 с. (соавт. А.М.Калинин).

8. Гйдротермические условия отвально-карьерных ландшафтов и их влияние на приживаемость-и рост лесных культур.//Arpoклиматология Сибири. Новосибирск: Наука, 1977. - С.91-99. (соавт. В.И.Щербатенко).

9. Экологическая оценка пригодности древесных и кустарниковых пород для лесной рекультивации в Кузбассе.//Восстановление техногенных ландшафтов (теория и технология). Новосибирск: Наука, 1977. - С.120-138.

10. О возможности биологической рекультивации песчаных субстратов отвалов Абагурской агломерационной фабрики.//Восстановление техногенных ландшафтов. Новосибирск: Наука, 1977. - С. 149-154. (соавт. Е.Р.Кандрашин, В.И.Щербатенко).

11. Гипергенез и эволюция техногенного рельефа Кузбасса. //Восстановление техногенных ландшафтов. Новосибирск: Наука,

1977. - С.14-26. (соавт. Ф.К.Рагим-заде, С.С.Трофимов, В.И.Щор-батенко).

12. Экологическое обоснование и опыт лесной рекультивации техногенных территорий в Кузбассе.//Программа и методика изучения техногенных биогеоценозов. М., Наука, 1978. - С.159-165.

13. Лесовозобновление на породных отвалах угольных разрезов южного Кузбасса.//Почвообразование в техногенных лаццшаф-

' тах. Новосибирск:. Наука, 1979. - С.172-179. (соавт. Е.Р.Кандрашин) .

14. Лесная рекультивация нарушенных земель в Кузбассе.// Лесное хозяйство, №5, 1981. - С.72-74. (соавт. П.В.Ковалев).

15. Проектирование лесной рекультивации на нарушенных землях для использования их в лесохозяйственных и рекреационных целях при разработке экспериментальных схем рекультивации в Кемеровской области.//Биологическая рекультивация земель в Сибири и на Урале. Новосибирск: Наука, 1981. - С.28-46.

16. Виды-интродуценты в лесной -рекультивации техногенных земель Кузбасса.//Тез. докладов научно-практической конфер. "Интродукция древесных растений и вопросы семеноводства в лесном хозяйстве". Новосибирск, 1981. - С.55-58. (соавт. А.Ф.Ни-щаков).

17. Облепиха. Кемеровское.книжн. изд-во, 1982. - 52с. (соавт. А.М.Шмонов).

18. Микробные ценозы техногенных экосистем Сибири.//Техногенные экосистемы. Организация и функционирование. Новосибирск: Наука, 1985. - С.23-38. (соавт. Н.Н.Наллекова, С.С.Трофимов, Е.Р.Кандрашин, Ф.А.Фаткулин).

19. Рекультивация земель. Кемеровское книжн. изд-во, 1988. - 66с. (соавт. А.М.Шмонов).

20. Биоэкологические принципы лесной рекультивации. Новосибирск: Наука, 1988. - 80с.

21. Лесная рекультивация отвалов угольных разрезов в Кузбассе. //Лесное хозяйство, М, 1990. - С.30-34. (соавт. АЛ/1. Шмонов, В.Н.Егоров).

Подп.в'печ.Ю.03.92 Объем 2 п.'л.' Тираж 100 экз. Кемеровское ЛХПТ0