Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ФОРМИРОВАНИЕ БИОЦЕНОЗОВ НА НАРУШЕННЫХ ЗЕМЛЯХ ЛЕБЕДИНСКОГО ГОКА КМА

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ФОРМИРОВАНИЕ БИОЦЕНОЗОВ НА НАРУШЕННЫХ ЗЕМЛЯХ ЛЕБЕДИНСКОГО ГОКА КМА"

А-ззззъ

На правах рукописи

Капитонов Дмитрий Юрьевич

ФОРМИРОВАНИЕ БИОЦЕНОЗОВ НА НАРУШЕННЫХ ЗЕМЛЯХ ЛЕБЕДИНСКОГО ГОКа КД1А

06.03.04 - Агролесомелиорация и защитное лесоразведение,

озеленение населенных пунктов; 03.00,1 б - Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на сонскание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Воронеж - 2003

Работа выполнена на кафедре лесомелиорации, почвоведения и озеленения Воронежской государственной лесотехнической академии

Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Панков Яков Владимирович

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Постол о в Виктор Дмитриевич;

доктор биологических наук,

профессор Л ахи до в Анатолий Иванович

Ведущая организация: Черноземный институт мониторинга земель и экосистем

Защита состоится « и » 2003 г, в ауд. в Т и ча-

сов на заседании диссертационного совета Д 212,034.01 при Воронежской государственной лесотехнической академии по адресу: 394613, г. Воронеж, ул, Тимирязева^, ВГЛТА, Факс - 8(0732) 53-84-61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан «

20» 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор с.-х. наук, профессор

Панков Я.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Добыча полезных ископаемых является основой развития экономики любой страны мира. Она приводит (с образованию техногенных ландшафтов. В районе Курской магнитной аномалии (КМА) их площадь до 2005 года составит более 30 тьес. га, при этом территория их негативного влияния превысит эту цифру в десятки раз.

В результате естественного зарастания и проводимых работ по биологической рекультивации на нарушенных землях происходит постепенное формирование биоценозов. Для понимания механизмов развития последних требуется проведение постоянных наблюдений, при этом необходимо иметь полное представление о составляющих их компонентах, в том числе и о животном населении, а также связях между ними.

Подобные комплексные исследования на нарушенных землях России, страна СНГ и за рубежом не многочисленны. На отвалах Лебединского ГОКа работа по изучению мониторинга биоценозов проводится впервые.

Настоящая тема выполнялась с 2000 по 2003 гг. по Федеральной целевой программе «Интеграция», входила в планы «Человек и окружающая среда», «Программа КМА» и «Черноземье», в которых кафедра принимает постоянное участие.

Цель исследований - осуществить оценку созданных фитоценозов и провести изучение процессов первичного заселения почвенной мезофауны в них для создания относительно устойчивых и продуктивных биоценозов на техногенных ландшафтах КМА (на примере Лебединского ГОКа).

Задачи исследований заключались в следующем;

- обобщить научно-производственный опыт по созданию защитных лесных насаждений (ЗЛН) на техногенных землях в зарубежных странах, СНГ, России и регионе КМА;

- определить состояние, рост и продуктивность типичных фитоценозов в динамике, произрастающих в различных экологических условиях;

- установить налич 1е, прове<ЦМпредели! ь численность почвенной фон^ нагнои ^тр><пуры

мезофауны на нарушенных землях;

- произвести оценку экономической эффективности биологической ре* культивации.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые для региона КМА решены следующие основные положения;

- дополнен 31-летний мониторинг состояния, роста и развития существующих значительных по площади ф иго ценозов на 4 отвалах различных типов;

- установлена зависимость формирования древесных насаждений на отвалах Лебединского ГОКа от различных экологических условий;

- определен характер первичного заселения почвенной мезофауной нарушенных земель.

Практическая ценность работы состоит в том, что предложены рекомендации по эффективному вовлечению техногенных земель в народнохозяйственное использование, которые уже внедряются в производство и учебный процесс ВУЗов страны по дисциплине «Рекультивация и формирование ландшафтов» по специальности 260500 - садово-парковое и ландшафтное строительство.

Достоверность полученных результатов обеспечивается мониторингом, значительным объемом проведенных исследований, использованием современных методик по проблеме, применением методов статистического анализа и ПЭВМ для решения поставленных задач.

Личный вклад. Автором были разработаны программа и методика исследований, подобраны методы и способы проведения полевых работ, выполнены сбор и обработка материала, сделаны выводы, на основе которых даны рекомендации производству с целью успешного освоения нарушенных земель.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены н доложены на ежегодных научных конференциях ВГЛТА (2000-2003), на Всероссийских научно-технических и научно-практических конференциях в Губкине (2001-2003), Сыктывкаре (2001), Гомеле (2003) и Саратове (2003).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 2 научных работах, перечень которых приведен в списке литературм.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и рекомендаций производству, списка использованных источников 229 наименований, в т.ч. 32 - на иностранных языках. Она изложена на 197 страницах компьютерного текста, который содержит 15 табл., 38 рис. и 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы, с формулированы цели и задачи исследований, указаны научная новизна и практическая значимость работы, а также дается информация об апробации результатов исследований.

] Состояние изученности проблемы

В результате добычи полезных ископаемых происходит трансформация природных ландшафтов. По данным ООН ежегодно на Земном шаре перерабатывается 2...3 трлн. т горных пород (Мельников, 1978). Территория нарушенных земель превышает площадь карьеров в 3... 12 раз, требующих их восстановления.

Проблемой рекультивации техногенных ландшафтов в мире стали заниматься в конце XIX - начале XX веков, а в бассейне КМА - с 1969 года, где к настоящему времени только сотрудниками кафедры лесомелиорации, почвоведения ц озеленения ВГЛТА закреплено и восстановлено более 900 га нарушенных земель.

В разделе приводится краткий анализ исследований, проведенных на техногенных землях крупных промышленных регионов России, в странах СНГ, в Германии, Англии, Польше, Болгарии, Чехии, Словакии, США и других странах.

Большинство работ касались изучения способов закрепления техногенных земель и процессов формирования фитоценозов на них. Вопросами естественного зарастания, биологической рекультивацией, роли растительности на нарушенных землях в различных регионах бывшего СССР занимались: П,Ф. Андрющен-ко (1979), Л.П. Барэнник (1992), Н.Е. Бекаревич и Н.Т. Масюк (1969), A.M. Бу-рыкнн (1988), В.Н. Данько (1969), А.Н. Дкжов (1986), Ф.Е. Иванов (1975), Э.В. Каэр (1975), Л.П. Капелькина (J994), В.Н. Кондратьев, Б,И. Титове кий и A.M. Бабец (S988), Л.В. Моторина и Г.А. Зайцев (1969), В.А. Овчинников И985), Я.В.

Панков (1973, 1996), И,Я. Пигорев (1977, 1984), А.И. Стифеев (1974, 1993), В.И. Терпелец (2001), И.В. Трещевский (1974), Т.С. Чибрик (1988) и многие другие!

Процессы заселения нарушенных промышленными разработками земель различными представителями фауны изучены слабо. Исследования в данном направлении проводили А.Б. Бабенко и В.К. Булавинцев (1974, 1981), A.C. Бело-конь и B.C. Солодовни ко ва (1985), А.Е. Пахомов (1989), А.П. Травлеев (1988), М.С. Устинова (1987), МЛ. Чистяков (1971) и другие.

Близкие к теме проблемы частично рассмотрены и опубликованы в работах В.Н. Жердева и П.С. Русинова (1999), И.Г. Зыкова (1983), В.М. Ивонина (1988), А.Н. Крина (2002), В.Б. Михно (1955), Е.С. Павловского (1988), В.Д. По-столоаа (1997), Г.И. Редько и АР. Родина (1999), В.И. Таранкова (1988), В.И. Федотова (1982), В.Д. Шульги (2002) и многих других.

В настоящее время возникла необходимость в проведении мониторинга существующих объектов леской рекультивации с целью установления формирования фитоценозов и определения первоначальных процессов поселения в них представителей животного мира.

2 Объект, программа, объем и методика исследований

2.1 Объект исследований. Объектами исследований являются отвалы Лебединского ГОКа КМА: гидроотвал № 2, автоотвал Стрелица, железнодорожный отвал и гидроотвал Березовый дог, а также естественные земли, непосредственно примыкающие к ним. Изучались наиболее типичные и значимые по площади различные фитоценозы, создаваемые с 1969 года в результате проведения работ по биологической рекультивации, и первичные процессы заселения их почвенной мезофауной.

2.2 Программа исследований предусматривала изучение и обобщение научно-производственного опыта по созданию 3JIH на техногенных землях; оценку состояния роста и продуктивности типичных фитоценозов, произрастающих в различных экологических условиях; изучение процесса формирования комплекса почвенной мезофауны на нарушеиньЕХ землях; определение экономической эффективности проведения биологической рекультивации.

23 Объем выполненных исследований. Были выполнены следующие основные виды работ: заложено 20 пробных площадей в ЗЛН на общей площади 6,2 га и 390 почвенных проб, измерено 4120 шт. деревьев и кустарников, взято 18 экземпляров модельных деревьев, осуществлено 1950 разборок послойных горизонтов почвы, учтено 1370 особей представителей почвенной мезофауны и установлены 18 уравнений зависимости хода роста древесных пород.

2.4 Методика исследований. Изучение ЗЛН осуществлялось путем закладки пробных площадей с измерениями основных таксационных показателей и отбора модельных деревьев. Закладка пробных площадей проводилась по общепринятым методикам в лесной таксации, л eco культурной и лесомелиоративной практике. Полевые материалы обрабатывались на ЭВМ с использованием современных статистических методов с установлением средних величин, ошибок точности и достоверности опыта. Изучение почвенной мезофауны осуществлялось по методу академика М.С. Гилярова (1975). Расчет экономической эффективности биологической рекультивации определялся по методике профессора И. В .Треще веко го (1978),

3 Природно-климатическая характеристика района КМА

В главе на основании литературных данных приводится описание и характеристика местонахождения, лесораститеяьной зоны, климата, рельефа, гидрологии, геологии, почвенных условий, растительности, животного мира, а также влияние на них антропогенного фактора.

Лебедянское месторождение железных руд располагается в северовосточной части Белгородской области на границе лесостепной и степной зон. Климат - у мерен но-континентальный, средняя годовая температура - +5,8°С, сумма осадков — 553 мм, продолжительность вегетационного периода - 192 дня. Рельеф района - равнинный с многочисленными речными долинами и густой ов-ражно-балочной сетью. Преобладающие почвы - типичные черноземы.

В целом природно-климатические условия благоприятны для развития биоценозов. Однако наличие поздних весенних и ранних осенних заморозков, засух, суховеев, различных периодов увлажнения промерзания почв, антропоген-

ного фактора необходимо учитывать при формировании биоценозов, особенно на нарушенных землях,

4 Формирование лесных фитоцекозов на нарушенных землях

На техногенных землях Лебединского ГОКа созданы ЗЛН на площади более 900 га. Большая часть нарушенных территорий представлена несколькими видами отвалов. Они имеют различное происхождение) размеры, форму и сложены разными горными породами и их смесями, что накладывает свой отпечаток на состояние, рост и развитие растительности.

4.1 Гидроотвал № 2 намыт гидравлическим способом песчано-меловой смесью из карьера в пойму р. Ос колец. На нем были высажены тополь Пионер, акация белая, ива остролистная, а также посеяны многолетние травы. ЗЛН создавались ручной (тополь) и механизированной (акция белая, шелюга) посадкой, с подготовкой субстратов и без нее. Размещение посадочных мест было принято для тополя 3x2, акации и ивы 2,5x0,75 м. Лесокультурные уходы в течение всего периода не проводились.

Исследованиями установлено, что в настоящее время все фитоценозы в полной мере выполняют свои мелиоративные функции, защищая отвал от дефляции и водной эрозии. Среди искусственно созданных ЗЛН хорошие показатели состояния и роста имеют культуры тополя Пионер, произрастающие по II классу бонитета на откосе гидроотвала (табл.1). Его биометрические показатели в 1,1...2,9 раза выше по сравнению с другими насаждениями. В результате отпада сохранность культур тополя на откосе (в более благоприятных условиях) составляет 89,4 %. Запас стволовой древесины к 32 годам достигает 182 м3/га, материальная оценка которого отражена в табл. 2.

Тополь Пионер на поверхности отвала уступает по зсем характеристикам на 31...73% тополю на откосе, а продуктивность его не превышает III класс бонитета, Данный фитоценоз имеет неудовлетворительное состояние: из учтенных деревьев здоровые составляют 17, ослабленные — 29, сильно ослабленные - 32, усыхающие — 37 и сухостой - 23 %, Материальная оценка культур показала, что в них в основном (до 57 %) формируется дровяная древесина (табл. 2).

Таблица І - Таксационная характеристика ЗЛН на отвалах ЛГОКа

Порода Возраст, лет Число деревьев, шт/га Высота, м Диаметр, см Полнота Бонитет Зал ас, м7га

Гилроотвал X» 2

Тополь Пионер (откос) 32 1490 14,2 14.98*0.45 0,8 И 182

Тополь Пионер (поверхность) 31 1353 10,2 12,68±0,38 0,5 III ПО

Акация белая 31 3594 12,8 12,30±0,15 0,9 11 222

Ива остролистная 31 4565 6,3 5, И ¿0,22 - -

Тополь белый 29 623 20,5 22, И ±0,60 0.9 1а 187

Тополь черный 42 575 22,3 26,!0±1,01 0.9 1а 328

Автоотвал

Тополь Пионер ] 21 13!8 10,7 I0.42i0.jj 0,7 1 56

Акация бели | 21 1525 12,7 11,26±0,24 0.8 I 85

Береза яовнсяая I 22 1726 14,2 16,24±0.24 0,9 1а 230

Железнодорожный отвал

Тополь Пионер 30 5528 13,2 12,14±0,36 0,6 Л | 107

Акация йелая 30 2712 15,2 і 1,40*0,42 0,9 I 205

Береза повислая 30 2000 14,7 И,б4±0,34 0,7 I 162

Клен ясенейистный 30 3792 11.0 8,36±0,32 0,9 Ш 149

Облепиха крушиновая 30 3617 Ї.4 9,83±0,28 0,9 Ш | 117

Гидроотвал Бе эезовый лог

Тополь Пионер 26 3540 13,5 12,70±0.32 0.8 1 ! | 239

Акация белая 26 3947 ¡2,7 П,40±0,33 0,9 1 1 1 225

Береза повислая 25 2893 12,5 10,50±0,32 0.8 Е і 148

Сосна обыкновенная 26 3529 [1,3 10,13*0,34 0.9 1 I [50

Сосна крымская 26 296К 12,4 13,00±0,35 0,9 I ) 599

Ива белая 26 1205 19.2 22,60±0,58 0,9 1 І I 341

По своим таксационным показателям, состоянию и выполняемым функциям близки к насаждению тополя культуры акации белой. Несмотря на низкую сохранность (67,4 %) они имеют количество деревьев более 3,5 тыс. шт/га из-за частого размещения посадочных мест (2,5x0,75 м). В результате запас акации белой в 31 год достигает 222 м3/га, что в 1,2 раза больше, чему культур тополя.

Насаждение ивы остролистной, расположенное на поверхности отвала, имеет высокую сохранность 85,6 % (табл. I), У шелюги отмечается постепенное снижение энергии роста, при этом она достигает высоты 6,3 м. Особо выделяется топать белый естественного происхождения, появившейся на поверхности отвала через 2 года после посадки ЗЛН. Его таксационные характеристики превосходят культуры тополя Пионер на откосе в 1,1,..2,5 раза (табл. 1). Насаждение имеет хорошее состояние, в процентном соотношении все учтенные деревья распределились по двум категориям: здоровые- 87 % и ослабленные - ! 3

%. Тополь белый произрастает по 1а бонитету с запасом 187 мЛ'га. К29 годам здесь кроме средней и мелкой деловой древесины формируется крупная, доля которой составляет 32 %. Тополь белый в отличие от искусственных посадок, продолжает распространяться корневыми отпрысками (до 50 тыс. игг/га).

Таблица 2 — Материальная оценка ЗЛН на отвалах ЛГОКа, м3

Порода Деловые деревья Дровяные деревья Итого

Деловая древесина Дрова Отходы

Крупная Средняя Мелкая Итого

Гидроотвад Кі 2

Тополь Пионер (откос) - 50 56 106 4 21 50 182

Тополь Пионер (поверх.} - 9 30 39 2 8 60 ПО

Акация белая ■ 17 114 131 9 41 40

Тополь белый 30 53 15 98 21 22 46 187

Тополь черный 75 144 9 228 39 48 20 328

Автоотвал Стрелииа

Тополь Пионер - 2 24 26 ■ з 6 -22 56

Акация белая - 2 32 34 3 9 40 55

Береза повислая • 48 и 133 18 1 20 59 1 230

Железнодорожный отвал

Тополь Пионер - 19 45 64 3 14 п 107

Акация белая - 25 63 5 23 «8 ■ 205

Береза повислая - ■ 33 62 95 15 13 39 162

Клен ясенелнстный - 8 23 31 5 7 105 : 149

Гидроотвал Березовый лог

Тополь Пионер - 41 96 137 1 8 27 66 239

Акация белая - 20 92 112 7 32 74 225

Береза повислая - 30 55 86 12 12 37 148

Сосна обыкновенная - 9 31 90 8 12 39 150

Сосна крымская - 13 119 133 12 22 32 199

Ива белая 25 124 51 201 | 3 55 47 341

С южной стороны гидроотвала № 2 для озеленения территории комбината в 1960-1961 годах были созданы культуры тополя черного. К 42 годам они дости-

гают 1а бонитета, имеют сохранность 92,0 %, высоту 22,3 м и диаметр 26,} см (табл. 1). В данном насаждении формируется различная деловая древесина, в которой доля крупной составляет 33 % (табл. 2).

В результате статистической обработки данных были получены уравнения хода роста, которые описываются параболами второго порядка при значительной достоверности По критерию Фишера (РроС. « 290,7...878,5 > Рад =» 2Д .,3,5). По-

лученные прогностические модели хода роста могут быть использованы для оценки продуктивности насаждений, в расчетах мониторинга биоценозов,

4.2 Автоотвал Стрелпца сложен из мело-мергельных горных пород, отсыпаемых автомобильным транспортом. Для его закрепления использовали тополь Пионер, березу повислую, акацию белую (табл.1). ЗЛН высаживались, по предварительно нарезанным террасам, вручную с размещением посадочных мест 2,2x0,6 м.

На данном отвале более продуктивными являются чистые культуры березы (1а класс бонитета). Они имеют лучшую сохранность 22,7 %, высоту 14,2 м, диаметр 16,2 см и запас 230 м'/га (табл. 1). Товарная структура березового древостоя показывает, что в 22 года формируется средняя и мелкая делова древесина на долю которых приходится 58 % от общего запаса.

Акация белая произрастает по I классу бонитета и уступает культурам березы по таксационным показателям в 1,1...1,4 раза (табл. 1). В результате отпада к 21 году ее сохранность составляет 19,1 %, сумма площадей сечений достигает 12,2 м2/га, а полнота - 0,8. По материальной оценке в культурах акации белой с запасом 85 м3/га образуется в основном мелкая деловая древесина (табл. 2).

Худшие показатели на автомобильном отвале имеет тополь Пионер (табл. 1 и 2), расположенный по отвалу выше предыдущих фитоценозов.

Ход роста культур по высоте описывается уравнениями параболы второго порядка при очень сильной связи (коэф. корреляции равен 0,97.,Л,0). В росте всех культур четко прослеживаются 3 периода: начальный 1...10, средний 11...18 и настоящий более 19 лет. ЗЛН имеют удовлетворительное состояние и в полной мере выполняют свои мелиоративные функции.

43 Железнодорожный отвал отсыпается в основном из песчано-мело вой смеси, на его откосах (с крутизной более 40°) в 1972 году были заложены опытно* производственные насаждения из различных древесных пород (табл.1) с густотой посадки 8 тыс, шт/га и размещением посадочных мест 2,5x0,5 м.

Исследования показывают, что в данных условиях наиболее продуктивными являются фитоценозы из акации белой и березы повислой. Они в 30 лет

п

произрастают по I бонитету с запасом 162...205 м3/га, В данных насаждениях при сходных биометрических показателях формируется разная товарная структура. Выход деловой древесины у березы и акации составляет 59 и 43 % соответственно (табл. 2).

Хорошая сохранность отмечается у клена (45,2 %) и облепихи (47,4 %), При этом их таксационные показатели уступают предыдущим культурам в 1,3... 1,5 раза, В насаждении клена ясенелистного в основном формируется мелкая деловая древесина, которая составляет около 21 % от общего запаса (табл. 2).

Тополь Пионер произрастает по И классу бонитета и имеет самые низкие показатели сохранности и запаса (табл. 1 и 2). У него наблюдается снижение величины текущего прироста, также как у клена и облепихи.

Ход роста всех фитоценозов описывается уравнениями вида у=ах:+вх+с при значительной достоверности по критерию Фищера (РраР1 = 76,2,..108,6 > Рц.о^ = 2,6...3,5).

4.4 Гидроотвал Березовый лог намывался из песка в одноименную балку, На его поверхность и откосы сначала нанесли слой чернозема мощностью около 25.. Л10 см, после чего провели работы по биологической рекультивации. Размещение посадочных мест в ЗЛН для ивы белой было принято 3x2 м, для всех остальньЕх пород -2x0,75 м. В течение первых 5 лет в культурах проводили уходы.

Все формирующиеся фитоценозы закрепляют отвал и предотвращают появление ветровой и водной эрозии. Их состояние оценивается удовлетворительно: в некоторых насаждениях имеется сухостой (до 10 %).

Данные табл.1 и 2 показывают, что на отвале Березовый лог лучшими являются культуры ивы белой. Они имеют лучшую сохранность 72 % и самые высокие биометрические показатели, которые в 1,7...2,8 раза больше, чем у других насаждений. Обусловлено это биологическими особенностями данной породы и расположением (основание отвала имеет более благоприятные условиях местопроизрастания).

На гидроотвале Березовый лог продуктивность ЗЛН достигает I класса бонитета, чему способствует нанесенный слой чернозема, а их запас колеблется от 148 до 341 м'/га. В таких условиях формируется мелкая и средняя деловая древесина, доля которой составляет 50..,67 % от всего запаса, Исключением является ивовый фитоценоз, образующий также крупные сортименты (до 25 м3/га), В ходе роста насаждений, кроме ивы, который описывается уравнениями параболы второго порядка при значительной достоверности = 39,3.,.345,7), можно выделить 3 периода; первый до 8, второй 9..,19 и третий 20...26 лет.

5 Формирование почвенной мезофауны на техногенных землях 5.1 Гидроотвал .№ 2. Исследованиями установлено, что на контрольном участке поверхности отвала, где отсутствует растительность, представители беспозвоночных не обнаружены (возраст отвала 45 лет), а проведение биологической рекультивации способствует нх появлению. Из почвенной мезофауны учтены только насекомые в количестве 3...8 шт/м3 (рис.1). Наименьшая численность (3 шт/м') обнаружена под многолетними травами, а под ЗЛН она возрастает в 1,2...2,7 раза.

шт/м2

□ насекомые О дождевые черва О многоножки Рисунок 1 - Средняя численность почвенной мезофауны на отвалах ЛГОКа

В вертикальном распределении по почвенному профилю основная доля насекомых (82,2 %) приходится на подстилку и первый 10-сантиметровый слой грунта. Оставшаяся часть обитает в горизонте 10..,30 см, глубже они не обнаружены. Бедность в составе почвенной мезофауны (1 класс насекомых) обусловлена местом расположения отвала. Он находится в окружении железных, автомобильных дорог и рядом промышленных зданий ЛГОКа. К отвалу не прилегают естественные земли, с которых возможно его заселение.

5.2 Автоотвал Стрелнца, представленный мело-мергельными породами, к которому непосредственно прилегают ненарушенные земли, заселяется 3-мя классами почвенной мезофауны (рис.1). При этом мал о щетин ко вые в количестве 1 шт/м2 обнаружены только в культурах акации белой, произрастающей у основания отвала. В зависимости от фитоценоза общая численность почвенной мезофауны находится а следующем порядке убывания: травяной (16,3) - тополевый (13,6)- акациевый (13,0)- березовый (10,0 шт/м2). Под травами и тополем доминируют многоножки, под березой и акацией — насекомые. В данных условиях последние, в основном, поселяются в слое от подстилки до 20 см, а многоножки обнаружены в горизонте 20..,30 см, на долю которых приходится 13,8 % от общей численности,

5.3 Железнодорожный отвал, сложенный песчано-меловой смесью, заселяется 3 классами почвенной мезофауны в количестве: насекомые - 1,4, дождевые черви - 4,8 и многоножки - 7,3 шт/м2 (рис, 1). Более благоприятные условия для поселения создаются в фито ценозах из акации (22,7), многолетних трав (19,9), клена (19,1) и березы (15,3 шт/м1). В насаждениях облепихи и тополя по сравнению с другими их соответственно 8 2,2 и 2,5 раза меньше.

На участках с естественным зарастанием травами первыми поселяются многоножки с численностью 55,3 шт/м". Они доминируют в фитоценозе из трав, клена и облепихи, где их доля от общей численности составляет соответственно 57,5; 51,3 и 40,0 %, В фитоценозе из тополя, березы и акации преобладают дождевые черви. В горизонтах субстрата насекомые обнаружены от подстилки до глубины 20 см, при этом основное их количество (60,5 %) находится в слое 0...10

и

см. Во всех рассматриваемых вариантах наибольшая часть многоножек (98,6 %) находится в подстилке и горизонте 0...20 см. Однако под культурами тополя, березы и клена они опускаются до глубины 30 см. Основная доля малощетинкових (79,5 %) приходится на слой грунта 10. ..30 см, а оставшаяся - на 2 соседних горизонта,

5.4 Гидроотвал Березовый лог имеет свои особенности в поселении почвенной мезофауны из-за нанесения плодородного грунта, уже содержащего ряд почвообитающих беспозвоночных. На отвале после его освоения в различных фитоценозах обнаружены все изучаемые представители почвенной мезофауны. Наиболее бедное поселение отмечается под многолетними травами, расположенными на его поверхности. Здесь учтены только насекомые и черви в количестве б,7...8,5 особей на 1 м1. Под древесными фитоценозами на откосах отвала встречаются представители всех 3 классов беспозвоночных. По численности мезофауны они располагаются в следующем порядке возрастания: сосна крымская и береза повислая - 9,8; сосна обыкновенная - 10,2; травы на откосе - 11,1; тополь Пионер- 13,2; акация белая —15,4 и ива белая -33,3 шт/м1.

В среднем по отвалу доминируют дождевые черви, их доля составляет 44,0 % от общей численности, за ними следуют насекомые и многоножки по 37,5 и 18,5 % соответственно. Мезофауна в почвенном разрезе отмечена только в подстилке и слое насыпного чернозема. Основное их количество учтено а горизонте от 0 до 20 см. Ниже этой отметки многоножки не обнаружены, а насекомые и черви в малом количестве (0,2...0,9 шт/м1) заселяют и следующий слой.

б Влияние факторов среды на состояние и развитие биоценозов на естественных н нарушенных землях

6.1 Сравнение состояния и роста тополевых насаждений на естественных н нарушенных землях проводилось в одновозрастных 21-летних культура* (табл. 3), Исследования показали, что на отвале и ненарушенном участке различия в сохранности тополей невелики (5,2 %) я составляет 92,4...97,6 %. При этом все биометрические показатели в пользу насаждений естественного участка, которые превышают в 1,2...2,4 раза культуры тополя на откосе гидроотвала № 2,

Таблица 3 - Сравнительная характеристика лесных

насаждений 21 летнего возраста на

отвалах Лебединского ГОКа

Лесная культура Отвал Приживаемость Сохранность, % Число деревьев, шт/га Высота, м . Прирост по высоте, см Диаметр, см Бонитет Объем модели, дм' Запас, м3/га

текущий средний Мер +_т средний прирост

Тополь Всгественньій участок 97^6 610 14,3 34,2 68,1 13.05+0,42 0,62 1а 94,7 61

Гвдрсютвал № 1 100,0 92,4 1540 8,1 28,2 38,6 9,87+0,29 0,47 Ш 38,8 53

Автоотвал 70.3 17.4 ¡318 10,7 30,2 51,0 10,42+0,33 0,50 1 43,5 58

Железнодорожный 43.8 26,6 2128 9,8 12,2 46,7 8,50+0,24 0,40 11 27,1 71

Серезовмй лог 87,2 59,7 3980 П,4 31,0 54,3 10,31+0,31 0,49 т 50,2 187

Береза повислая Автоотвал 73.0 22,8 1727 [4,0 32,3 66,7 15,50+0,53 0,74 1а 120,3 219

Железнодорожный 62,5 36,3 2904 10,4 18,9 49,5 8,15+0,27 0,39 I 25,2 84

Березовый лог ІШ1 47,7 3180 10,7 19,4 51,0 8,82+0,32 0,42 1 33,5 101

Акация бел а я Гндроотвал №2 £2Д 72,2 3850 8,7 18,4 41,3 8,40+0,26 0,40 II 23,3 94

Автоотвал 81.0 20,1 1525 12,7 29,5 60,5 11,26+0,24 0,54 I 47,4 85

Железнодо рожны й Ш 41,5 3320 11,7 21,2 55,7 7,98+0,20 0,38 г 25,5 92

Березовый лог 90.1 67.2 4480 11,5 24,8 52,8 9,21+0,29 0,44 [ 34,7 162

По объему моделей и запасу различия соответственно достигают 59 и 13 %. При этом, у тополей как на гидроотвале, так и в пойме, в последние 10 лет отмечается притупление в росте (рис. 2).

Высота, м 16

12 |

10

3 -

I ■!

(

1 4 6 Ї 10 П 14 —— Аквинц белая (VІ1 ир.ютьаг. №і -—-ЛЛЛЫИ* Ьеры (:19Т007зза)

- ~ ' Береіа поансла* (аатоатайл)

- - - Тополь Пионер (ж/й отйзд)

' Акішч* белая (БсреэолыА ДОГ)

- —БерїЗа поайсліа логУ

-<-г—-,-,-1-1-1--1--. Вйзрасг.

16 18 10 22 24 И 18 ЗО 31 »"

.... - Тополь Пионер {гилроотвзл № 2) — -. Тополь " попер (лвтоотмад) Акаин* Зелая (ж/д отьдл)

--- — Берега поаисла» (ж/я отьал)

" Тополь Пионер ^Березовый дог|

Рисунок 2 - Ход роста ЗЛН на отвалах Лебединского ГОКа

6.2 Сравнительная характеристика лесных насаждений на отвалах проведена на примере 3 древесных пород (табл. 3). Из данных таблицы следует, что лучшая приживаемость культур отмечается на гадроотвале № 2 (91,2 %) и Березовом логу (82,4 %), Среди древесных пород наибольший показатель прижи-

вас мости имеет акация (78,5 %), на втором месте - тополь (на 3,5 % меньше) и на третьем - береза (на 10,0 % меньше).

В результате постепенного отпада (в среднем 17,1 %) к 21 году сохранность культур на отвалах составила 50,0 % - у акации, 49,0 % - у тополя и 35,2 % у березы. Довольно существенные различия проявляются между отвалами: от 20,1 % (автоотвал) до 84,6 % (гидроотвал Ха 2).

Изучение хода роста древесных пород показало, что наибольшую высоту (14,0 м) имеет береза на автоотвале, акация уступает ей на 5,4, а тополь - на [7,0 %. Из сравнения между отвалами видно, что на автоотвале высота л другие биометрические показатели, кроме запаса, являются лидирующими. Наименьшие значения (в 1,1,, Л,5 раза) характерны для гидроотвала № 2.

Из рис. 2 видно, что в росте культур на некоторых отвалах можно выделить 3 периода: ранний - 1...8 лет, средний - 9... 19 лет и текущий - 20...31 год, В первый период приживания отмечается притуплённый рост, средний ежегодный прирост в высоту равен около 0,28 м. В средний период энергия роста возрастает в 2,1 раза (самый большой показатель). В текущий период рост культур снижается в 1,8 раза (по сравнению с средним), но он на 18,0 % выше начального и составляет 0,33 м. Для его у величения необходимо проводить лесоводственкые мероприятия (лесоводстве нные рубки ухода и санитарные рубки).

Наибольший запас насаждений отмечается на Березовом логу от 101 до 187 м3/ га. По сравнению автоотвалом, железнодорожным и гидроотвалом № 2 он больше в 1,3; 1,4 и 1,5, раза соответственно из-за лучшей сохранности культур и высокой энергии роста. При сравнении запаса насаждений по видам пород установлено, что наибольший показатель (135 м3/га) характерен культурам березы повислой, у акации и тополя он меньше соответственно на 19 и 31

6.3 Влияние экологических факторов на формирование почвенной мезофауны

На зональных участках, почвенная мезофауна представлена 3 изучаемыми классами (насекомые, дождевые черви и многоножки), которых учтено в среднем от 7,6 до 22,3 шт/м:. На долю червей приходится более 50 % от их общего коли-

чества, а на многоножек и насекомых соответственно в 1,6 и 2,9 раза меньше. Они располагаются в основном в слое 0...30 см (85 %),

На нарушенных же землях их заселение затруднено и в опытных участках с биологической рекультивацией их численность в 1,2...9,0 раз меньше, чем на прилегающих территориях, что зависит от различных факторов. Так, на песчано-меловой смеси поселяется только класс насекомых, а на мело-мергеле полностью отсутствует класс червей. На остальных субстратах даже с нанесением чернозема количество видов почти одинаково (13,3... 13,б шт/м"). На отвалах дождевых червей учтено в среднем 2 шт/м2, что в 1,5 раза меньше, чем представителей классов насекомых и многоножек.

С увеличением высоты отвалов ухудшаются лесорастигельные условия, которые затрудняют формирование фитоценозов. На железнодорожном отвали с увеличением высоты откоса снижается численность насекомых и дождевых червей в средне в 1,3.„4,4 раза, а для многоножек такой закономерности не установлено (рис. 3).

Нижняя часть

□ насекомые

□ дождевые черен О многоножки

Средняя часть

Верхняя часть

Рисунок 3 — Влияние высоты железнодорожного отвала на численность почвенной мезофауны

Подобного влияния высоты отвала на почвенную мезофауны на других отвалах не отмечается.

Под многолетними травами наибольшее разнообразие (3 класса) и средняя численность (19,9 шт/м~) почвенной мезофауны отмечается на откосе западной

экспозиции, а иод лесными насаждениями - на откосе восточной экспозиции, что в 1,-4,. .2,3 раза больше, чем надругих.

С увеличением сроков отсыпки отвалов зарастание их травянистой растительностью происходит только через 11...30 лет, влекущее за собой поселение почвенной мезофауны в количестве от 6,4 до 16,0 штАг. Меловые горные породы железнодорожного отвала заселяются беспозвоночными раньше, чем песчаные, однако в 21.,.30 лет большее разнообразие и численность отмечены на песчаных откосах (рис. 4).

до 10 до 10 с11 до 20 с 11 до 20 21-30 21-30 (горная порода) (песок) (мел) (песок) (мел) (песок) (мел)

□ насекомые □ дождевые черви О многоножки

Рисунок 4 — Влияние возраста и горной породы отвала на поселение почвенной мезофауны

Различные виды растительных фитоценозов положительно влияют на появление почвенной мезофауны. Их количество составляет от 5,0 до 33,3 шт/м:, тогда как на контрольных участках они полностью отсутствуют. По степени влияния растения располагаются в следующем убывающем порядке: травы - облепиха крушиновая - акация белая - береза повислая - тополь - клеи ясенепист-ный- сосна обыкновенная и крымская - акация желтая,

В смешанных (сложных) насаждениях численность почвенной мезофауны в 2 раза выше, чем в чистых.

7 Экономическая эффективность биологической рекультивации нарушенных земель проводился на примере гидроотвала Березовый лог. Он формировался из песка на поверхности которого при горнотехнической рекультивации был нанесен плодородный слой мощностью 25..Л10 см. На его откосах созданы ЗЛН, а на поверхности выращиваются многолетние травы.

Расчеты показывают, что возможный суммарный ущерб составляет 24,1, капиталовложения на рекультивацию - 36,4, прибыль от лесной и сельскохозяйственной рекультивации 53,5 тыс. руб,/га; экономическая эффективность равна 0,82, а срок окупаемости затрат -1,2 года.

Выводы

На основании проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Проблема рекультивации техногенных ландшафтов на современном этапе не может быть полностью и эффективно решена без комплексных исследований всех слагающих компонентов формирующегося нового ландшафта;

2. На отвалах, образованных различными способами и сложенных из разных вскрышных горных субстратов, хорошо произрастают лесные насаждения из таких пород как тополя белого, ивы белой, березы повислой, акации белой, сосны обыкновенной и крымской и тополя Пионер. Они в полной мере выполняют мелиоративную роль по предотвращению негативного влияния отвалов на окружающую среду;

3. Материальная оценка ЗЛН показала, что к 21...31 году в них в основном образуется мелкая и средняя деловая древесина, на долю которых приходится соответственно 20 иЗО %, а в насаждениях тополя белого и ивы белой формируется к тому же и крупная;

4. Лесные насаждения, произрастающие на отвалах, имеют все биометрические показатели в 1,2... 1,8 раза меньше, чем на зональных почвах. Причем, насаждения на откосах имеют эти характеристики в 1,1...2,4 раза больше, чем на поверхности;

5, На некоторых отвалах в ходе роста древесных пород можно выделить 3 периода: начальный (1...8 лет), средний (9...20 лет) и текущий (более 21 года). В первый период отмечается низкий рост, во второй он увеличивается в 2,0. ..3,8 раза, а в третий уменьшается в 1,2.. Л,5 раза по сравнению со вторым, но все же остается в 1,8...2,0 раза больше, чем в первый;

ё. Формирующиеся искусственные фитоценозы и жесткие экологические условия на отвалах и их частях оказывают сложное влияние на образование комплекса почвенной мезофауны. При этом беспозвоночные вообще не появляются или процесс их заселения притупляется в 1,2...9,0 раза по сравнению с зональными участками;

7. Заселение почвенных беспозвоночных зависит от многих экологических факторов: горной породы, возраста, высоты, экспозиции и частей отвалов, и самое главное - от имеющихся на них фитоценозов:

- на песчано-меловых субстратах появляется только класс насекомых, а на мело-мергеле полностью отсутствует класс червей;

- с высотой отвалов их количество уменьшается в 1,3,.,4,4 раза, а для многоножек такой закономерности не установлено;

- естественный процесс зарастанля растительностью и первоначального заселения почвенных животных начинается только через 11.. .30 пет;

- на откосах западной и восточной экспозиций отмечена почвенная мезо-фауна в 1,4...2,3 раза больше, чем на других;

- искусственно созданные биоценозы способствуют появлению почвенных беспозвоночных в количестве от 5,0 до ЗЗД шт/м\ Их распределение находятся зависимости от состояния и развития фитоценоза, то есть от ассортимента, агротехники, возраста и самого характера его формирования;

8. Экономическая эффективность вовлечения в народное хозяйство гидроотвала Березовый лог с применением горнотехнического и биологического этапов рекультивации составила 0,82, а срок окупаемости затрат - 1,2 года.

Рекомендации производству:

1. В ассортимент древесных пород н кустарников для облесения песчаных отвалов рекомендуется включить тополь белый.

2. С целью улучшения состояния, роста и развития существующих лесных насаждений в них рекомендуется проводить своевременные лес о вод ст венные и санитарные рубки уходов, в соответствии с вышеуказанными периодами. Это позволит вырастить более устойчивые и ценные насаждения,

3. ЗЛН и многолетние травы повышают продуктивность новых биоценозов за счет привлечения представителей животного мира, в частности почвенной мезофауны (насекомые, черви и многоножки). Их появление создает более сложные экологические связи между компонентами нового ландшафта, что делает их устойчивыми, продуктивными и экологически безопасными. Для повышения численности почвенной мезофауны на отвалах рекомендуется создавать смешанные насаждения, ассортимент которых зависит от экологических факторов.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Капитонов Д.Ю. Влияние биологической рекультивации нарушенных земель на формирование почвенной мезофауны / Д.Ю. Капитонов П Лес. Наука, Молодежь ВГЛТА 2002: Сборник материалов по итогам научно-исследовательской работы молодых ученых Воронежской государственной лесотехнической академии за 2001-2002 годы I Под ред. акад. РАЕН, проф. Л.Т. Свиридова. - Воронеж: ВГЛТА, 2002. - С. 49-53.

2. Капитонов Д.Ю. Оценка влияния биологической рекультивации на формирование животного мира в условиях техногенного ландшафта / Д,Ю, Капитонов // Актуальные проблемы биологии и экологии: Материалы докладов IX молодежной научной конференции, Сыктывкар 15-17 апреля 2002 г, - Сыктывкар: Институт биол. и экол., 2002. - С. 61-62.

3. Панков Я.В. Состояние и рост лесных культур на железнодорожном отвале Лебединского ГОКа КМА / Я.В, Панков, Д.Ю. Капитонов // Динамика лесистости в малолесных районах европейской части России. Проблемы и перспективы: Материалы Всероссийской научно-технической конференции, 24-25 октября 2002 г. -Воронеж: ВГЛТА, 2003.-С.62-65.

4. Капитонов Д.Ю. Использование быстрорастущих древесных пород при рекультивации отвалов КМА / Д.Ю. Капитонов // Лес в жизни восточных славян: от Киевской Руси до наших дней: Материалы Международной научной конференции молодых ученых, 27-29 июня 2003 г., г. Гомель. - Гомель: Институт леса НАНБ, 2003. - С. S2-84.

5. Капитонов Д.Ю. Роль живых организмов при биологической рекультивации техногенных ландшафтов / Д.Ю. Капитонов, Я.В. Панков, А.Н. Коптев // Лес. Наука. Молодежь ВГЛТА 2003: Сборник материалов по итогам научно-исследовательской работы молодых ученых Воронежской государственной лесотехнической академии за 2002-2003 годы / Под ред. акад. РАЕН, проф. Л.Т. Свиридова. - Воронеж: ВГЛТА, 2003, - С. 61-64.

6. Капитонов Д.Ю. Защитные лесные насаждения на разнотипных отвалах Лебединского ГОКа / Д.Ю. Капитонов, Я.В. Панков // Лесное хозяйство Поволжья - Саратов: СГАУ, 2003. - Вып. 6. - С. 83-90.

7. Капитонов Д.Ю, Первичное заселение почвенной мезофауны на нарушенных землях в системе регионального мониторинга / Д.Ю. Капитонов // Совершенствование наземного обеспечения авиации: Всероссийская научно-практическая конференция, посвященная 100 летию военной авиации. - Воронеж: ВВАИИ, 2003. - С. 64.

8. Капитонов Д.Ю. Формирование лесных насаждений на нарушенных землях Лебединского ГОКа КМА / Д.Ю. Капитонов, А.Н. Коптев, Я.В. Панков // Совершенствование наземного обеспечения авиации: Всероссийская научно-практическая конференция, посвященная 100 летию военной авиации. - Воронеж: ВВАИИ, 2003. - С. 65.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим присылать по адресу: 394613, г.Воронеж, ул. Тимирязева,8, ВГЛТА. Ученому секретарю. Факс: 8(0732) 53-84-61.

Подписано в печать Форм. Бум. 60x85 1/16 Заказ Усл. пл.л. 1,0 Тираж ЮОэкз,

Воронежская государственная лесотехническая академия 394613, г.Воронеж, ул. Тимирязева,8