Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Формирование защитных лесных насаждений на техногенно нарушенных землях

ВАК РФ 06.03.03, Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации по теме "Формирование защитных лесных насаждений на техногенно нарушенных землях"

На правах рукописи

ТРЕЩЕВСКАЯ Элла Игоревна

ФОРМИРОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ НА ТЕХНОГЕННО НАРУШЕННЫХ ЗЕМЛЯХ (на примере Курской магнитной аномалии)

06.03.03 — Агролесомелиорация, защитное лесоразведение и озеленение населенных пунктов, лесные пожары и борьба с ними

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

005060411

Волгоград - 2013

005060411

Работа выполнена на кафедре лесных культур, селекции и лесомелиорации Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Панков Яков Владимирович

Официальные оппоненты: Манаенков Александр Сергеевич,

доктор сельскохозяйственных наук, заслуженный лесовод РФ, ГНУ ВНИАЛМИ Россельхозакадемии, заведующий отделом борьбы с деградацией агроландшафтов;

Родин Анатолий Родионович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса», профессор кафедры искусственного лесовыращивания и механизации лесохозяйственных работ;

Терпелец Виктор Иванович,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО "Кубанский государственный аграрный университет", заведующий кафедрой почвоведения.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Курская государственная сельскохозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова»

Защита состоится 30 мая 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д. 006.007.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 400062, г. Волгоград, Университетский проспект, 97, ГНУ ВНИАЛМИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации Россельхозакадемии.

Автореферат разослан а^апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат сельскохозяйственных наук

С. В. Колмукиди

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Курская магнитная аномалия (КМА) — самый большой и богатый железорудный бассейн мира, площадь нарушенных земель которого составляет около 40 тыс. га. Искусственные геосистемы, сформированные вскрышными горными породами, характеризуются крайней неустойчивостью. Значительная часть этих территорий в течение многих десятилетий по различным причинам сохраняет облик техногенных пустышей. Оценка перспектив их восстановления является одной из актуальных проблем современности.

Экстремальные условия техногенных ландшафтов обусловливают длительный период самовосстановления фитоценозов. Одним из важнейших способов предотвращения вредного экологического воздействия горнорудного производства на природу, защиты отвалов от эрозии и дефляции является проведение биологической рекультивации, из которой на крутосклонных отвалах наиболее перспективной признана лесная.

Проблема состоит в том, что не все породы, складируемые в отвалы, являются пригодными для произрастания защитных насаждений. В бассейне КМА до 70 % объема вскрышных пород составляют пески и песчано-меловые смеси, характеризующиеся не- и малоблагоприятными для произрастания растений агрохимическими и водно-физическими свойствами.

Существуют разные способы повышения плодородия субстратов промышленных отвалов. Формирование защитных лесных насаждений на основе многолетнего мониторинга за состоянием и ростом древесных пород, «создание почв» является основой рекультивации нарушенных земель.

Работа является составной частью научных исследований кафедры лесных культур, селекции и лесомелиорации Воронежской государственной лесотехнической академии по программам «Черноземье», «Программа КМА», Федеральной целевой программе «Интеграция науки и высшего лесотехнического образования. Инновационная деятельность на предприятиях лесного комплекса» (№ госрегистрации 01.2.00103888), а также хоздоговорным темам с Лебединским и Стойлен-ским горно-обогатительными комбинатами (ГОК) КМА.

Цель исследований — изучение особенностей формирования защитных лесных насаждений на техногенно нарушенных землях Курской магнитной аномалии, обеспечивающих их дальнейшее использование.

Задачи исследований заключались в следующем:

- изучить свойства вскрышных пород и технических смесей отвалов Курской магнитной аномалии и выявить динамику формирования и роста защитных насаждений на различных субстратах без повышения их плодородия (на примере сосны обыкновенной);

- оценить достоинства и недостатки повышения плодородия субстратов промышленных отвалов путем землевания на основе изучения состава и свойств субстратов гидроотвала, орографических особенностей и влагонакопления в них;

- изучить динамику состояния и роста, в том числе и сезонного, древесных пород на гидроотвале после землевания и определить биологическую продуктивность защитных насаждений;

- дать оценку трехслойным субстратам с погребенным плодородным слоем и изучить динамику состояния и роста на них сосновых насаждений;

- изучить видовое разнообразие растительности в защитных лесных насаждениях, их особенности и динамику формирования;

- определить влияние растительности в природных и искусственных фито-ценозах на трансформацию техногенных субстратов в эмбриоземы;

- произвести лесоводственную и эколого-экономическую оценку защитных лесных насаждений на техногенно нарушенных землях;

- разработать рекомендации по формированию защитных лесных насаждений на техногенно нарушенных землях.

Научная новизна. Для техногенных ландшафтов изучены различные способы повышения плодородия субстратов промышленных отвалов и обоснованы наиболее перспективные и рациональные из них для формирования защитных лесных насаждений с введением устойчивых к экстремальным условиям среды древесных пород. Впервые с целью ускорения восстановления нарушенных земель, с учетом специфики почвенно-экологических условий предложена двух-этапная система рекультивации с использованием робинии лжеакации как породы, обладающей высокой степенью почвоулучшающих свойств, для создания предварительных защитных лесных насаждений с последующим внедрением более ценных пород, в том числе хвойных.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость результатов исследований заключается в том, что выявлены особенности роста, состояния и продуктивности защитных насаждений на техногенно нарушенных землях в зависимости от структуры и плодородия субстратов промышленных отвалов. Выявленные особенности позволяют оптимизировать процесс формирования рекультивационных насаждений с целью повышения их устойчивости, долговечности, продуктивности и стабилизации выполняемых ими защитных функций.

Практическое значение результатов исследований выражается в возврате техногенно нарушенных земель в хозяйственный оборот путем их биологической рекультивации на научной основе и создания новой устойчиво продуцирующей лесной экологической системы.

Результаты исследований используются природоохранными организациями при проектировании работ по биологической рекультивации техногенных ландшафтов, научными организациями - для разработки и осуществления почвенно-экологического мониторинга, а также применяются в учебном процессе при чтении курса «Рекультивация ландшафтов» для студентов, обучающихся по специальности 25.02.03 - «Садово-парковое и ландшафтное строительство» и по направлениям подготовки бакалавров 250100 - «Лесное дело» и 022000 - «Экология и природопользование».

Рекомендации по формированию защитных лесных насаждений, разработанные с участием автора, внедрены в производство Лебединским и Стойленским горно-обогатительными комбинатами в 2010-2012 гг., а также используются ОАО НИИ по проблемам Курской магнитной аномалии им Л.Д. Шевякова при проведении научно-исследовательских работ по рекультивации.

Методология и методы исследований. Методология исследований бази-

руется на системном подходе к их проведению. Использовались типовые методики, применяемые в почвоведении, лесовосстановлении, таксации и лесоводстве.

На защиту выносятся следующие положения:

- итоги создания и выращивания лесных насаждений сосны обыкновенной эколого-ресурсного назначения на субстратах промышленных отвалов без повышения их плодородия;

- оценка землевания как способа повышения плодородия субстратов промышленных отвалов для проведения лесной рекультивации;

- эффективность использования древесных пород для выращивания защитных насаждений на техногенных субстратах с поверхностным землеванием;

- повышение плодородия бедных грунтосмесей путем формирования трехслойных субстратов с погребенным плодородным слоем;

- влияние видового разнообразия растений на скорость формирования естественного растительного покрова и почвообразовательный процесс при рекультивации техногенных ландшафтов;

- параметры трансформации субстратов в почвы (эмбриоземы) в природных и искусственных фитоценозах;

- лесоводственная и эколого-экономическая эффективность двухэтапной системы формирования защитных лесных насаждений, обеспечивающей восстановление техногенно нарушенных земель.

Достоверность полученных результатов обеспечивается многолетним мониторингом, значительным объемом аналитического и экспериментального материала, применением современных методик, математической обработкой данных с использованием компьютерных программ для решения поставленных задач.

Апробация работы. Основные положения работы были представлены на Всесоюзных научных конференциях (Днепропетровск, 1990, 1992; Москва, 1991); IV съезде Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004); Международном совещании «Биологическая рекультивация нарушенных земель» (Екатеринбург, 1996); Всероссийских научных конференциях (Воронеж, 1992, 1993, 1998, 2007; Москва, 1993; Орел, 1993; Екатеринбург, 1992, 1999); V съезде Всероссийского общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008); Международных научных конференциях (Йошкар-Ола, 1992; Кривой Рог, 1993; Воронеж, 2000,2009, 2012; Вешенская, 2008; Санкт-Петербург, 2011) др.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 84 научных работы общим объемом 50,18 п.л., личное участие автора - 23,72 п.л., в том числе 2 монографии, 2 рекомендаций, 1 текст лекций, 11 статей — в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 333 страницах, содержит 68 таблиц, 61 рисунок, библиографический список из 362 наименований, в том числе 22 — на иностранных языках.

Автор признателен научному консультанту профессору Панкову Я.В. и коллективу кафедры лесных культур, селекции и лесомелиорации за поддержку и консультации, а также студентам и аспирантам Лесного факультета ВГЛТА, принимавшим участие в проведении полевых исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1 РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ В РОССИИ И ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАНАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Одним из факторов, определяющим направление рекультивации, является пригодность вскрышных пород к биологическому освоению. Приводятся классификации вскрышных пород разных авторов, большинство из которых основываются на агрохимических, агрофизических свойствах пород и минералогическом составе (Хватов Ю.А., 1975; Моторика Л.В., Овчинников В.А., 1975; Нагулевич Л.И., Жандаев М.С., 1978; Горбунов Н.И., Туник Б.М., Зарубина Т.Г., 1975; Данько В.Н., 1975; Масюк Н.Т., 1992; Етеревская Л.В., Донченко М.Т., 1977; Зайцев Г.А., Моторина Л.В., Данько В.Н., 1977; Адерихин П.Г. и др., 1978; Бурыкин A.M., 1974; Стифеев А.И., 1993 и др.).

Естественным индикатором пригодности вскрышных пород к биологической рекультивации являются фитоценозы техногенных ландшафтов. Приводятся мнения многих авторов о темпах естественного зарастания отвалов в техногенных ландшафтах, которое протекает очень медленно (Бекаревич Н.Е., 1971; Михайлова З.Н., 1974; Бурыкин A.M., 1976, 1985; Лаасимер Л.Р., 1975; Лукьянец А.И., Ма-хонина Г.И., Чибрик Т.С., 1975; Максимова Е.В., Абакумов Е.В., Гагарина Э.И., 2012; Панков Я.В., Андрющенко П.Ф., 2003; Пигорев И.Я., 2006; Тарчевский В.В., 1970; Таранов С.А., Клевенская И.Л., Щербатенко В.И., 1977; Васильченко Т.И., Трещевская Э.И., 1981; Терехова Э.Б., 1982; Соколов А.И., Федорец Н.Г., Костина Е.Э., 2012; Засорина Э.В., 1987 и др.)

Вопросы по изучению и практическому решению проблемы лесной рекультивации в работах Трещевского И.В., 1981; Панкова Я.В., 1996; Андрющенко П.Ф., 1979; Дюкова А.Н., 1986; Миронова В.В., 1968; Моториной Л.В., Овчинникова В.А., 1975; Новиковой H.A., Савич А.И., 1980; Каар Э.В., 1976; Баранника Л.П., 1974; Колесникова Б.П., 1974; Левит С.Я., Пикаловой Г.М., Дороненко Е.П., 1975; Поджарова В.К., 1975; Застенского Л.С., 1991; Келеберды Т.Н., 1991; Kohnke, Н., 1950; Lowry, G.L., 1960; Fitton А., Gibbons I., 1959; Buhse G., 1969; Kozlowski S„ 1972; Dimitrovsky K., 1985; Patejdl, C., 1974; Schenk J., 1985 и др.

Повышение плодородия субстратов в техногенных ландшафтах относят к основной проблеме рекультивации почти все специалисты, занимающиеся в этой области исследований: Зайдельман Ф.Р., 2003; Моторина Л.В., Забелина Н.М., 1968; Пикалова Г.М., 1974; Горбунов Н.И. и др., 1973; Сергеев М.В., 1976; Андрющенко П.Ф., 1979; Иванов Ф.Е., 1975; Панков Я.В., 2000; Зайцев Г.А., Моторина Л.В., Данько В.Н., 1977; Терпелец В.И., 2001; Сарв И.Ф., 1975; Смирнова М.Ю., 1983; Деденко Т.П., 2006; Стифеев А.И., 1975; Месяц С.П., Волкова Е.Ю., 2012; Витол Л.П., 1975; Смоляк Л.П., Реуцкий В.Г., 1971; Dimitrovsky К., 1985; Ferda J., 1974; Heinsdorf D., 1980; Schröder R., 1972; Hill R„ 1974; Fedkenheuer A.W., Heacock A.M., Lewis D.L., 1980; Kesik Т., Kus J., Nawrochi S., 1973, 1974; Thirgood J., Meagher M., 1972 и др.

Биоценозы, образующиеся на субстратах, слагающих отвалы, способствуют изменению их свойств и относительно быстрому формированию примитивных

(первичных) почв. Эти почвы называются эмбриоземами (Глебова О.И., 2008; Госсен И.Н., 2008; Зимина М.П., 2008; Капелькина Л.П., 2008; Кулятина Е.Д., 2008; Кусов A.B., 2008; Соколов Д.А., 2008; Харитонов H.H., Батурина В.Б., 2008; Андроханов В.А., 2008).

Пески и песчано-меловые смеси, имеющие наибольшее распространение в отвалах КМА, согласно ряду классификаций (Трещевский И.В., Иванов Ф.Е., Панков Я.В., 1978; Бурыкин A.M., 1974; Стифеев А.И., 1993 и др.), относятся к породам, малопригодным для биологической рекультивации.

Литературный обзор показал, что проблема рекультивации техногенно нарушенных ландшафтов решена не полностью.

2 ПРОГРАММА, ОБЪЕКТЫ, МЕТОДИКА И ОБЪЕМ ИССЛЕДОВАНИЙ

Направление исследований обусловлено современным состоянием проблемы и предусматривает формирование устойчивых защитных лесных насаждений на техногенно нарушенных землях Курской магнитной аномалии.

Объектами исследований явились нарушенные земли КМА и сформированные на отвалах Лебединского горно-обогатительного комбината в Белгородской области природные и искусственные фитоценозы.

Работы на пробных площадях выполнялись по общепринятым в практике почвоведения, лесных культур, таксации и лесоводства методикам: агрегатный, структурный составы почв (субстратов), агрофизические и водные свойства — по Качинскому H.A. (Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А., 1986; Качинский H.A., 1965, 1970; Александрова Л.Н., Найденова O.A., 1986); биомасса древесных пород - по Ремезову Н.П. (1959); корневые системы - по Качинскому H.A. (1931), а также Калинину М.И. (1983, 1991); сезонный прирост побегов древесных пород - по Молчанову A.A. и Смирнову В.В. (1967); лесная подстилка - по рекомендациям ВНИИЛМ (1979); листовой опад - по Аткину A.C. и Стаканову В.Д. (1996).

При изучении микроклимата применялись методики, принятые для метеорологических наблюдений (Кароль, 1959; Зубарева, 1981).

Анализы по определению гранулометрического и химического составов, а также агрохимических свойств субстратов выполнялись по общепринятым методикам: гранулометрический состав - по Качинскому H.A., фосфор и калий (Р205 и КгО) - по Мачигину Б.П. (ГОСТ 26205-91), pH солевой вытяжки - потенциомет-рически (ГОСТ 26483-85), гидролитическая кислотность (Н2) - по Каппену Г. (ГОСТ 26212-91), гумус - по Тюрину И.В. (ГОСТ 26213-91), кальций и магний -тригонометрически (ГОСТ 26487-85) и по Гедройцу К.К. с 0,05 н HCl, общий азот - по Къельдалю И.Г. (ГОСТ 26107-84).

В листовом опаде и живом напочвенном покрове определены следующие показатели по ниже приведенным ГОСТам: фосфор - по ГОСТ 26657-97; калий -по ГОСТ 30504-97; кальций и магний - по ГОСТ 26570-95; азот - по ГОСТ 13496, 4-93; влага - по ГОСТ 27548-97; зола - по ГОСТ 13979-69.

Определение микроэлементов в почвах, субстратах и растениях проводилось с помощью атомно-адсорбционного спектрофотометра марки ААС 703

«Перкин-Ельмер» (США) в образцах, отобранных в соответствии с рекомендациями Зырина Н.Г. и Обухова А.И. (1977).

Статистическая обработка данных выполнялась на ЭВМ с использованием пакета прикладных программ EXCEL, STATISTICA с установлением средней величины, ошибок, точности и достоверности опыта (Зыков И.Г., 1986). Выполнены однофакторный дисперсионный и корреляционно-регрессионный анализы.

Выполнен следующий основной объем работ: заложено 132 постоянных пробных площади и 29 временных; выкопано 172 разреза в почвах и субстратах; отобраны 2480 образцов почв и субстратов; взято 102 модельных дерева; отобраны образцы надземной и подземной частей деревьев, кустарников и трав в количестве 147 штук, а также 135 образцов лесной подстилки; заложено 216 площадок для изучения живого напочвенного покрова.

3 ИТОГИ ЛЕСНОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОТВАЛОВ БЕЗ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ СУБСТРАТОВ

3.1 Характеристика вскрышных пород и технических смесей отвалов

Курской магнитной аномалии

Наиболее распространенными вскрышными породами, складируемыми в промышленные отвалы в бассейне Курской магнитной аномалии, являются четвертичные суглинки, пески разного происхождения, песчано-меловые и мело-мергельные смеси. В толще отвалов встречаются куски алевритов, фосфоритов, мела, мергеля и скальных горных пород, а также залегают прослойки келловей-ских глин.

Изучение почвенно-экологических условий промышленных отвалов без проведения мероприятий по повышению плодородия субстратов показало, что четвертичные суглинки являются наиболее плодородными из всех пород вскрыши в бассейне КМА, хотя имеют более тяжелый гранулометричекий состав и более высокую твердость по сравнению с естественными обнажениями (соответственно тяжелые суглинки - средние суглинки; 0,29 и 0,27 кг/см2), что видно из таблиц 1 и 2. Их необходимо складировать во временные отвалы для последующего землева-ния на горнотехническом этапе сельскохозяйственной рекультивации.

3.2 Результаты лесной рекультивации отвалов без повышения плодородия субстратов (на примере сосновых насаждений)

Согласно исследованиям многих авторов на начальных этапах проведения лесной рекультивации считалось, что сосна обыкновенная является основной породой, пригодной для биологической рекультивации промышленных отвалов во многих регионах как малотребовательная к почвенно-грунтовым условиям древесная порода. Она растет не только на покровных суглинках, но и на бедных промытых песках, песчано-меловых и мело-мергельных смесях. Для прогнозирования роста сосны были проведены исследования в насаждениях, произрастающих в сходных зональных условиях.

Таблица 1 - Агрохимические и физические свойства субстратов промышленных отвалов КМА (в метровом слое)

Отвал Субстрат Показатели

гран, состав плотность сложения, г/см3 твердость на глубине 20-25 см, кг/см2 скважность, % РН' солевой гумус, т/га Млегкогид. Р205 К20 МГВ, % ВЗ, %

кг/га

Конвейерный чствертич. суглинок тяжелый суглинок 1,41 29 49 7,2 97 56 261 2256 8,4 12,6

Гидроотвал Березовый лог песок рыхлый песок 1,54 11 45 7,6 15-62 0 116 431 0,9 1,4

Отвал рыхлой вскрыши песчано-мелов.смесь супесь 1,47 11 47 7,5 40 следы 110 735 2,3 3,5

Конвейерный мело-мерг. смесь легкая глина 1,38 28 47 8,5 15 0 276 552 5,3 8,0

Примечание: для мело-мергельных смесей приводится рН водной вытяжки

Таблица 2 - Агрохимические и физические свойства зональных почв ЦЧР (в метровом слое)

Объект Почва (порода) Показатели

гран, состав плотность сложения, г/см3 твердость на глубине 20-25 см, кг/см2 скважность, % рН водной гумус N общий Р2О5 к2о МГВ, % ВЗ, %

т/га кг/га

Грайворонское л-во Белгородской области суглинистое обнажение средний суглинок 1,43 27 47 6,1 99 6 429 810 7,1 10,7

Бобровское л-во Воронежской области светло-серая лесная песчаная рыхлый песок 1,51 40 43 5,4 78 3 350 1993 0,4 0,6

Ленинское л-во Липецкой области светло-серая лесная песчаная рыхлый песок 1,50 39 44 5,2 111 7 75 330 0,2 0,3

Острогожское л-во Воронежской обл. перегнойно-карбонатная тяжелый суглинок 1,37 32 45 7,2 115 13 164 342 4,7 7,0

Несмотря на некоторые различия в свойствах суглинков на нарушенных землях и суглинистых обнажений в Грайворонском лесничестве Белгородской области, можно судить о возможном повышении энергии роста сосны. Об этом свидетельствуют данные, полученные при исследовании 22-24-летних насаждений сосны в Томаровском участковом лесничестве, где в отдельные годы прирост сосны в высоту достигал 90 см (рисунок 1). Сосна растет по 1а классу бонитета и имеет запас 130-202 м3/га. В исследуемом насаждении отмечается благоприятное соотношение между подземной и надземной частями. Что касается надземной массы, то можно отметить обильное охвоение: хвоя 14-летнего модельного дерева составляет 43 % от ее массы в сыром состоянии, а в воздушно-сухом - 32 %.

О 5 Ю 15 20 25 ЗО

Возраст-, лжет

Рисунок 1 - Ход роста в высоту сосны обыкновенной на суглинках:

1, 2 — на естественных суглинистых обнажениях (пп 1г и Зг);

3 — на суглинистом конвейерном отвале КМА

На песчаных субстратах отвалов Лебединского ГОКа не удалось вырастить устойчивое насаждение сосны обыкновенной в связи с сильной дефляцией, вызывающей выдувание и засекание сосны. Сохранившиеся единичные экземпляры сосны имели в возрасте 7-12 лет замедленный рост и росли по IV классу бонитета (рисунок 2). В возрасте 13 лет они полностью погибли в связи с плохими водно-физическими и химическими свойствами субстрата.

На песчано-меловой смеси отвала рыхлой вскрыши масса подземной части 12-летней сосны к общей составляет 22 %. Несмотря на то, что сосна имеет темную хорошо развитую хвою, которая составляет 36 % от массы надземной части, она характеризуется также как и на песках, замедленным ростом (рисунок 2). В возрасте 22 лет сосна на опытных участках железнодорожного отвала (отвала рыхлой вскрыши) полностью выпала из-за неблагоприятных почвенно-экологических условий субстрата отвала.

На мело-мергельной смеси конвейерного отвала сосна в возрасте 10 лет имела высоту всего 56,3 см (рисунок 3). В отличие от других субстратов, на ней отмечается неблагоприятное соотношение между надземной и подземной массой. Подземная часть составляет всего 18 % от общей биомассы. Слаборазвитая корневая система и обильное охвоение (больше 50 % от надземной массы) указывает на низкую устойчивость этих насаждений.

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Возраст, лет

Рисунок 2 - Ход роста в высоту 12-летней сосны обыкновенной на песках и песчано-меловых смесях: 1 — на песке гидроотвала Березовый лог; 2 - на песчано-меловой смеси отвала рыхлой вскрыши

О 5 10 15 20 25 30

Возраст, лет

Рисунок 3 - Ход роста в высоту 12-летней сосны обыкновенной на карбонатных почвах и породах: 1 - в Острогожском л-ве (пп 1о);

2 - там же (пп 2о); 3 - на мело-мергеле конвейерного отвала

Таким образом, суглинки и мело-мергельные смеси пригодны для выращивания насаждений сосны IV класса бонитета, которые имеют санитарно-гигиеническое и эстетическое значение. Говорить о высокопродуктивных насаждениях не приходится, т.к. эти субстраты характеризуются неблагоприятными водно-физическими свойствами.

Показатели роста сосны на песках указывают на то, что эти субстраты без предварительного улучшения являются малопригодными для выращивания сосновых насаждений.

Песчано-меловые смеси являются малопригодными для выращивания долговечных насаждений хозяйственно-ценных пород, даже сосны обыкновенной, несмотря на то, что она является малотребовательной к почвенно-грунтовым условиям.

4 ПОВЫШЕНИЕ ПЛОДОРОДИЯ СУБСТРАТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТВАЛОВ ПУТЕМ ЗЕМЛЕВАНИЯ

4.1 Экологические условия на гидроотвале Березовый лог при разной мощности плодородного слоя

К абиотическим факторам, влияющим на успех лесной рекультивации земель, нарушенных карьерными разработками, относятся эдафические (почвенно-грунтовые), топографические (строение рельефа) и, наконец, климатические условия (свет, тепло, осадки, влагонакопление в субстратах).

В условиях отвально-техногенных ландшафтов ведущими являются эдафические факторы, зависящие от потенциального плодородия пород вскрыши, складированных в отвалы.

4.1.1 Состав и свойства субстратов гидроотвала

В 1976 г. на поверхности и трех откосах упорной призмы гидроотвала Березовый лог было произведено поверхностное землевание слоем плодородной массы мощностью от 20 до 80 см и более. Поэтому, строение субстратов на гидроотвале носит двухслойный характер: верхний слой представлен глиной или суглинком, а ниже располагается мощный слой песка. Их характеристика приводится в таблице 3.

Таблица 3 - Характеристика субстратов гидроотвала Березовый лог

Показатели Субстраты и их мощность

плодородный слой (40 см) подстилающий песок (60 см) двухслойный субстрат (100 см)

Содержание фракций (%) при диаметре частиц (мм): меньше 0,01 больше 0,01 54,51 45,49 3,22 96,78 -

Плотность сложения, г/см3 1,40 1,54 -

Твердость на глубине 20-25 см, кг/см2 0-30 0-11 -

Порозность, % 45 44 -

рН солевой 7,2 7,6 -

Запасы гумуса, т/га (%) 196 (3,5) 38 (0,4) 234

Запасы легкогидролизуемого азота, кг/га (мг/100 г) 106 (1,9) 0(0) 106

Запасы фосфора, кг/га (мг/100 г) 56 (1,0) 70 (0,7) 126

Запасы калия, кг/га (мг/100 г) 577 (10,3) 259 (2,8) 836

Максимальная гигроскопическая влага, % 8,5 0,9 -

Влажность завядания, % 12,8 1,4 -

Общая (полевая) влагоемкость, % 36,3 7,7 -

Анализ материалов по характеристике строения и свойств субстратов на гидроотвале Березовый лог показывает, что покрытие песчаной массы маломощным плодородным слоем нельзя признать удачным видом мелиорации отвально-техногенных субстратов, подлежащих облесению. Несмотря на высокое содержание в плодородном слое гумуса, биологически важных химических элементов, общие запасы их в 20-40-сантиметровой толще невелики и не могут обеспечить нормального роста и развития древесных пород.

Одним из ограничивающих экологических факторов этих двухслойных субстратов является ряд отрицательных физических и физико-механических свойств плодородной массы, лежащей плотным слоем и отличающейся бесструктурностью, высокой плотностью и твердостью сложения, низкой порозностью.

Ухудшение комплекса водно-физических свойств при значительной крутизне откосов отвала резко снижает противоэрозионную устойчивость нанесенного плодородного слоя, в результате чего после землевания отвала развивается чрезвычайно сильная эрозия. Это приводит к потере питательных веществ и в целом к снижению плодородия двухслойных субстратов. Кроме того складываются неблагоприятные условия для роста и развития растений, т.к. в засушливые периоды влажность верхнего 10-сантиметрового слоя понижается почти до влажности завядания.

Увеличение мощности плодородного слоя до 80 см и более, с одной стороны, приводит к повышению запасов химических элементов в корнеобитаемом слое, а с другой - способствует образованию еще более плотного слоя, который слабо осваивается корнями растений.

4.1.2 Орографические особенности и развитие эрозии на гидроотвале

Рельеф в условиях отвально-техногенных ландшафтов оказывает существенное влияние на перераспределение тепла и влаги атмосферных осадков, вызывает неодинаковый характер процессов концентрации влаги в субстратах. Склоновый характер рельефа является одной из основных причин развития линейной и плоскостной эрозии.

Существенную роль в формировании комплекса экологических ситуаций на гидроотвале играют элементы мезо- и микрорельефа. Мезорельеф отвала представлен чередованием откосов крутизной от 6 до 14 с выровненными бермами -террасами. Микрорельеф выражен мелкими неровностями и неглубокими овражками, образовавшимися в процессе линейных размывов.

Пользуясь оценочной шкалой Заславского М.Н., эрозию на гидроотвале Березовый лог можно отнести к очень сильной и чрезвычайно сильной. По расчетам, проведенным для трех лет (1977-1979 гг.) после землевания гидроотвала, размеры выноса веществ с линейной и плоскостной эрозией составили: гумуса - 11627 кг/га, азота - 1046, калия - 5911 и фосфора - 530 кг/га.

Таким образом, землевание поверхности песчаных субстратов без одновременного их биологического закрепления растительным покровом приводит к потерям большого количества питательных веществ, которые могли бы быть рационально использованы в сельскохозяйственном производстве.

4.1.3 Особенности влагонакоплеиия в субстратах гидроотвала

В условиях отвально-техногенных ландшафтов, созданных путем отсыпки пород вскрыши в отвалы, основным экологических фактором является влага, от запасов которой в субстратах зависит успех их освоения для сельского и лесного хозяйства.

Исследования показали, что двухслойные субстраты характеризуются неодинаковым содержанием влаги в слоях различного гранулометрического состава. Полевая влажность (ПВ) плодородного слоя изменяется от весны к лету от 28-33 до 17-26 %, в то время как влажность намытого песка колеблется в пределах от 67 до 1-4%.

Нанесение в процессе землевания на поверхность песка или песчано-меловой смеси слоя тяжелосуглинистой-легкоглинистой плодородной массы толщиной 30-40 см не обеспечивает в достаточном количестве накопление влаги, необходимой для произрастания продуктивных растительных сообществ. Образующийся на контакте соприкосновения двух субстратов разных гранулометрических составов (глина, суглинок - песок) «защемленный воздух» представляет серьезное препятствие в круговороте воды между плодородной суглинистой и бедной песчаной толщей.

Повышение влажности субстратов в отвалах, а, следовательно, и повышение их плодородия может быть достигнуто либо путем увеличения мощности плодородного слоя, либо в результате нанесения на его поверхность мульчирующего материала - песка или песчано-меловой смеси. Последние помимо предотвращения потери влаги, оказывают положительное влияние на водопоглощение, ликвидируя поверхностный сток.

Увеличение мощности плодородного слоя до 80-100 см менее целесообразно, так как с увеличением его толщины резко ухудшаются физические и водные свойства, являющиеся одним из препятствий проникновению воды и созданию значительных влагозапасов.

4.2 Лесная рекультивация гидроотвала Березовый лог

На склонах гидроотвала Березовый лог для борьбы с эрозией и дефляцией проводится лесная рекультивация, заключающаяся в выращивании защитных лесных насаждений из малотребовательных к почвенно-грунтовым условиям древесных пород, обладающих быстрым ростом и высокой степенью мелиорирующих свойств — почвоукрепляющих и почвоулучшающих.

Приживаемость и рост деревьев и кустарников на гидроотвале зависят от комплекса экологических факторов, среди которых основными являются погодные условия вегетационного периода и запасы воды в субстратах. Безусловно, на приживаемость влияют также сложение и физические свойства нанесенного слоя, абсолютная высота на различных частях гидроотвала, экспозиция склонов и др. В свою очередь, от биологической продуктивности насаждений зависит преобразование субстратов и повышение их плодородия.

4.2.1 Состояние и рост древесных пород на гидроотвале с насыпным плодородным слоем

В процессе наблюдений четко выделились три типа экологических гидротермических условий, определяющих различную приживаемость и энергию роста древесных пород: благоприятные - 1976, 1977, 1980, 1982 гг., средние - 1978, 1979, 1981 гг. и неблагоприятные - 1983, 1984, 2010 гг. (таблица 4, фрагмент).

Таблица 4 - Характеристика древесных пород на гидроотвале, 1977-2010 гг.

Порода Годы Возраст, лет Типгидро-тер.режима /кол.осадков, мм Сохранность, % Прирост | Высота | Диаметр

см

Робиния лжеакация 1977 3 благ./644 95,8 27,2±0,56 89,0±0,88 0,70±0,01

1978 4 сред./534 95,8 46,2±0,64 107,4±1,10 1,07±0,05

1982 8 благ./675 90,0 33,9±0,41 195,5±3,05 3,28±0,02

1983 9 неблаг./497 90,0 27,4±0,40 220,0±3,66 3,60±0,02

2010 35 неблаг./490 47,0 28,6±0,32 1000,0±5,50 15,00±0,06

Акация желтая 1977 3 благ./644 84,2 28,4±0,33 56,2±1,09 0,46±0,01

1978 4 сред./534 82,0 23,6±0,31 98,1±1,22 1,01±0,01

Береза повислая 1977 3 благ./644 85,6 19,6±0,25 40,8±0,88 0,52±0,01

1978 4 сред./534 75,5 31,3±0,32 90,5±0,91 1,03±0,01

1982 8 благ./675 69,0 50,7±0,46 265,0±3,13 4,60±0,03

1983 9 неблаг./497 69,0 60,6±1,50 320,0±5,23 5,60±0,05

2010 35 неблаг./490 35,0 42,9±0,87 1500,0±6,03 13,00±0,08

Жимолость татарская 1977 4 благ./644 91,0 17,2±0,25 48,6±0,51 0,60±0,02

1978 5 сред./534 88,1 20,2±0,22 67,0±0,54 1,07±0,03

1982 9 благ./675 60,1 20,8±0,48 113,1±0,99 1,80±0,03

1983 10 неблаг./497 54,0 18,0±0,19 129,8±1,06 1,84±0,03

Клен остролистный 1981 3 сред./609 88,0 2,8±0,01 19,8±0,07 0,53±0,01

1982 4 благ./675 72,0 5,6±0,02 29,1±0,11 0,58±0,01

1983 5 неблаг./497 54,0 3,3±0,02 32,5±0,39 0,61±0,01

2010 31 неблаг./490 43,0 29,0±0,44 900,0±6,11 13,00*0,06

Лох узкол. 1977 4 благ./644 75,6 52,9±0,99 116,2±0,79 1,65±0,02

1978 5 сред./534 70,8 44,7±0,56 125,0±0,28 2,80±0,02

Облепиха крушиновая 1977 4 благ./644 97,6 82,0±1,30 110,0±0,69 1,05±0,01

1978 5 сред./534 96,8 67,3±1,10 160,5±0,95 2,00±0,01

1982 9 благ./675 90,6 59,1±0,66 314,0±2,67 3,70±Ю,03

1983 10 неблаг./497 90,6 63,9±0,68 358,0±3,07, 4,20±0.04

2010 36 неблаг./490 51,3 13,9±0,15 500,0±4,21 5,50±0,04

Сосна обыкновенная 1977 4 благ./644 53,2 5,9±0,14 20,7±0,61 0,6(Ш),01

1978 5 сред./534 48,0 13,4±0,09 36,1±0,77 0,80±0,01

1982 9 благ./675 36,4 21,7±0,20 150,0±0,99 4,40±0,05

1983 10 неблаг./497 36,0 54,2±0,53 180,0±1,17 4,90±0,05

2010 36 неблаг./490 35,5 41,7±0,17 1500,0±6,01 16,00±0,07

Для прогнозирования особенностей роста насаждений древесных пород на маломощном (30-40 см) плодородном слое в условиях гидроотвала проведены наблюдения за динамикой их роста. Анализ материалов обнаруживает довольно четкую закономерность роста рекультивационных насаждений древесных пород в зависимости от экологических условий.

Обращает на себя внимание тот факт, что наибольшие величины прироста отмечаются не только в годы с оптимальным экологическим режимом, но и в те годы, которым предшествует значительная увлажненность. Таким образом, высокие показатели прироста у сосны, березы, облепихи, лоха, рябины, жимолости в 1983 году обусловлены благоприятным гидротермическим режимом предыдущего года.

По породам зависимость высоты от возраста выражается уравнениями (рисунок 4):

Робиния: у = 0,0024 х2 +0,1904 х + 0,3349; Я2= 0,9998 (1)

Береза: у = - 0,0003 х2 + 0,4682 х- 1,0061; Я2= 1 (2)

Облепиха: у = -0,0119 х2 + 0,5968 х- 1,2591; Я2= 1 (3)

Сосна: у = 0,0094 х2 + 0,1095 х-0,3355; 112=9997 (4)

? 16 В 14

8 -6 -4 -2 -О -О

Рисунок 4 — Зависимость высоты древесных пород от возраста на гидроотвале

Следует отметить, что все древесные породы, используемые при рекультивации гидроотвала, характеризуются различной сохранностью. Наибольшие ее показатели присущи тополю, робинии, облепихе. У этих пород на протяжении первых восьми лет после посадки сохранность достигала 80-90 %. Причем последние три-четыре года она была почти стабильна. В остальных насаждениях с возрастом сохранность уменьшается: резко падают ее величины у сосны, ясеня, клена, и постепенно снижается сохранность у березы, рябины и других пород.

Изменения сохранности по годам обусловлены, главным образом, характером условий. Так, при переходе от благоприятных к средним гидротермическим факторам для многих пород (клен, ясень, сосна, береза, лох) установлено резкое снижение сохранности. И, напротив, такие древесные породы как тополь, облепиха, бузина, жимолость, акация желтая слабо реагируют на резкие колебания условий, и величина их сохранности понижается на 3-7 %.

10 20 30 40

Возраст, лет

К возрасту 35-36 лет из всех древесных пород, используемых при лесной рекультивации гидроотвала Березовый лог, лучше зарекомендовали себя робиния лжеакация, береза, клен, облепиха и сосна. Более высокими показателями роста характеризуются береза и сосна на нижнем откосе отвала, имеющие в данном возрасте высоту 15,0 м и диаметр 13,0 и 16,0 см соответственно, что соответствует I классу бонитета

4.2.2 Сезонный рост древесных пород на гидроотвале

Одним из важных показателей интенсивности роста древесных пород в условиях отвально-карьерных ландшафтов является темп увеличения прироста в течение сезона. Прирост, характеризующий количество органического вещества, ежегодно откладываемого в различных частях растений, представляет собой обобщенный показатель. Он объединяет в себе не только результаты жизнедеятельности растительного организма, но и воздействие на него окружающей среды.

Наблюдения проводились за сезонным приростом побегов в 8-летних насаждениях в условиях хорошего гидротермического режима (рисунки 5, 6).

Число, месяц

Рисунок 5 - Сезонный прирост главного побега 8-летних древесных пород, см

Рисунок 6 - Сезонный прирост боковых побегов 8-летних древесных пород, см

10 мая 21 мая 31 мая Ю июня 21 июня 30 июня 10 июля 21 июля 30 сенг.

Число, месяц

Сравнение прироста главного и боковых побегов древесных пород показывает, что у сосны нарастание боковых побегов происходит несколько энергичнее, чем нарастание главного побега, прирост боковых побегов завершается одновременно с окончанием прироста главного побега - в конце июня. У березы, наоборот, прирост главного побега протекает значительно энергичнее, чем боковых. Рост березы в высоту в течение вегетационного периода значительно продолжительнее, чем у сосны. Заметное влияние на прирост боковых побегов оказывает смыкание крон в ряду. Пока смыкание крон полностью не наступило, ориентация по сторонам света на прирост боковых побегов древесных пород не оказывает существенного влияния.

4.2.3 Биологическая продуктивность древесных пород и накопление химических элементов в насаждениях

Успешное восстановление природного комплекса требует научно-обоснованных мероприятий по созданию фитоценозов, которые должны отличаться наибольшей биологической продуктивностью, что обусловливает усиление концентрации биологически важных питательных элементов, улучшение физического состояния нанесенного плодородного слоя и в целом повышение плодородия субстратов гидроотвала. С целью определения биологической продуктивности насаждений древесных пород, используемых в лесной рекультивации, учет массы органического вещества надземных и подземных органов произведен по средним модельным деревьям.

Анализ данных показывает, что количество органического вещества, синтезированного различными древесными породами, колеблется в очень широких пределах и увеличивается с возрастом. Больше всего органического вещества накапливается в робинии лжеакации, облепихе крушиновой и лохе узколистном. В возрасте 6 лет биомасса одного дерева достигает 2191-2281 г, и далее, в порядке убывания количества сухого органического вещества, породы располагаются в следующий ряд: тополь гибридный - 1051, сосна обыкновенная - 882, береза повислая - 764, рябина обыкновенная - 581 г (рисунок 7).

Роб.лж. Б.п. Лх.у. Обл.кр. Ряб.о. С.о. Т. г.

Порода

Рисунок 7 - Биомасса моделей разных древесных пород в возрасте 6 лет (в воздушно-сухом состоянии) на гидроотвале, г

Основную массу органического вещества дает ствол, затем 1/2-1/3 часть — корни, менее значительную долю составляют ветви и зеленые ассимилирующие органы. Обращает на себя внимание тот факт, что с увеличением мощности нанесенного плодородного слоя возрастает доля корней от общей биомассы от 16 до 28 %.

В отвально-техногенных ландшафтах особое мелиорирующее значение приобретают зеленые части растений, которые оказывают большое положительное влияние на сохранность и плодородие субстратов на откосах отвалов. Большое мелиорирующее значение имеет лох, обладающий самой большой массой листвы - 628 г в 9-летнем возрасте.

Запасы органического вещества в различных насаждениях неодинаковы и колеблются в широких пределах. Наибольшей продуктивностью отличаются насаждения робинии лжеакации и облепихи крушиновой, в древостое которых сосредоточено органического вещества 181,7-143,9 ц/га (рисунок 8).

200 180 160 -140 120 100 80 60 40 20 О

П1

зз г=

___1__1____I____

Порода

Рисунок 8 - Общая фитомасса в 9-летних насаждениях различных древесных пород на гидроотвале Березовый лог, ц/га

При этом на долю листьев и корней приходится соответственно 18,4-19,1 и 36,038,5 ц/га (рисунок 9). Эти две структурные единицы фитоценоза активно участвуют в обогащении субстратов органическим веществом.

а Листья 1 Ствол, ветви

□ Мох 13 Травы

■ Мертвый покров

□ Корин деревьев 13 Корни трав

Рисунок 9 - Структура общего запаса фитомассы (ц/га) в 9-летнем насаждении

облепихи крушиновой

Ф

Химический состав растительности представлен в таблице 5, где приводится содержание азота и зольных элементов в листьях (хвое) и мелких корнях, оказывающих прямое влияние на аккумуляцию веществ в субстратах. Из изучаемых деревьев и кустарников наиболее богаты минеральными элементами акация желтая (7,22 %) и бузина (6,90), немного уступают им робиния (5,93) и облепиха (5,15), далее идет тополь с суммой азота и зольных элементов, равной 4,06 %. Крайне бедным химическим составом отличаются береза (2,91) и сосна (2,86 %).

Таблица 5 -Химический состав растительности на гидроотвале

Растительность Химические элементы, % на сухое вещество

N 81 А1 Ре Са Мя К Р сумма

Робиния лжеак. 2,62 0,15 0,04 0,09 1,96 0,26 0,42 0,39 5,93

Акация желтая 4,06 0,23 0,07 0,11 1,46 0,62 0,33 0,34 7,22

Береза повислая 0,97 0,11 0,05 0,07 0,89 0,18 0,26 0,38 2,91

Бузина красная 3,29 0,11 0,05 0,11 1,61 0,71 0,53 0,49 6,90

Облепиха круш. 3,21 0,07 0,05 0,15 0,66 0,31 0,35 0,35 5,15

Сосна обыкн. 0,98 0,18 0,07 0,08 0,56 0,14 0,43 0,42 2,86

Тополь гибр. 0,83 0,36 0,03 0,06 1,47 0,24 0,69 0,38 4,06

Эспарцет 4,02 0,69 0,15 0,18 1,52 0,19 2,40 0,38 9,53

Разнотравье 0,86 0,73 0,13 0,11 0,66 0,28 1,17 0,20 4,14

Зеленый мох 1,49 0,70 0,17 0,28 1,06 0,69 0,68 0,10 5,17

В общем цикле биологического накопления химических элементов в фито-ценозах на отвально-техногенных субстратах определенная роль принадлежит травяному покрову. В фитомассе сорного разнотравья содержится относительно невысокое количество кальция, еще меньше — калия и азота.

Бобовые травы (эспарцет) характеризуются значительной аккумуляцией азота и всех зольных элементов по сравнению с сорным разнотравьем, поэтому их можно рекомендовать высевать в будущих междурядьях за год до посадки древесных пород для улучшения азотного режима техногенных субстратов.

5 ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕХСЛОЙНЫХ СУБСТРАТОВ С ПОГРЕБЕННЫМ ПЛОДОРОДНЫМ СЛОЕМ

По сравнению с землеванием предлагаем более эффективный способ повышения плодородия субстратов, который основан на том, что после землевания на поверхность плодородного слоя наносится слой песка или песчано-меловой смеси. Этот мульчирующий слой предохраняет погребенный слой от потери влаги на физическое испарение и позволяет древесным породам более эффективно использовать плодородие трехслойных субстратов. Основанием для такого заключения послужили исследования, проведенные на погребенных почвах Хреновского бора. Поскольку сосна является одной из основных пород, применяемых при рекультивации нарушенных земель во многих регионах, этот способ изучался на примере сосновых насаждений, заложенных у основания гидроотвала Березовый лог.

5.1 Характеристика трехслойных субстратов и сосновых насаждений в

зональных условиях

В условиях Центрально-Черноземного региона погребенные почвы имеются в урочище «Зеленая дубрава» Хреновского бора (Семено-Александровское участковое лесничество Бобровского лесничества) в Воронежской области. Исследования показали, что почвенно-экологические условия на погребенных почвах более благоприятные, чем на непогребенных (таблица 6).

Таблица 6 - Характеристика почв в Хреновском бору

Показатели Непогребенная почва (ПП8х) Погребенная почва (111112х)

мощность горизонтов, см

0-100 0-40 40-100 0-100

Содержание фракций (%) при диаметре частиц, мм: меньше 0,01 больше 0,01 7,55 92,45 5,40 94,60 8,45 91,55 7,23 92,77

Плотность сложения, г/см3 1,43 1,62 1,52 1,56

Твердость на глубине 20-25 см, кг/см"' 43 37 - _

Скважность, % 45 43 44 44

рН солевой вытяжки 4,8 4,3 5,2 4,8

Запасы гумуса, т/га (%) 234 (1,64) 23 (0,14) 155 (1,02) 178

Запасы азота: общего, т/га (%) легкогидролизуемого, кг/га (мг/100 г) 14 (0,10) 416(2,91) 1 (0,01) 291 (1,80) 7 (0,05) 554 (3,64) 8 845

Запасы фосфора, кг/га (мг/100 г) 411 (2,87) 96 (0,59) 150 (0,99) 245

Запасы калия, кг/га (мг/100 г) 845 (5,91) 301 (1,86) 677 (4,45) 978

Максимальная гигроскопическая влага, % 1,19 0,40 1,63 1,15

Влажность завядания, % 1,79 0,60 2,48 1,73

Запасы продуктивной влаги, мм: во влажный период (06.08.1982) в засушливый период (09.08.1983) в засушливый период (15.08.2010) 64 23 20 26 10 11 44 35 34 70 45 45

Верхний песчаный слой имеет определенные отрицательные и положительные свойства. К отрицательным экологическим свойствам следует отнести то, что он снижает содержание гумуса и общего азота в основном корнеобитаемом слое, который принят равным 1 м. На погребенной почве в два раза меньше общего и легкогидролизуемого азота.

Однако положительные свойства погребенных почв компенсируют этот недостаток. На песчаном слабо гумусированном слое почти отсутствует осоково-злаковая растительность, здесь только в пониженных элементах рельефа в 85-летних культурах сосны встречается моховой покров и разнотравье, масса которого в воздушно-сухом состоянии не превышает 3 ц/га. На погребенных почвах, где верхний слой песка имеет более крупные поры, капиллярные связи с погребенной

почвой нарушены, что уменьшает потери влаги на физическое испарение из этой почвы. Влияние смены гранулометрического состава на высоту капиллярного подъема определяется разностями капиллярных давлений на границах слоев. В результате этого в слоеных грунтах наблюдается снижение скорости капиллярного подъема воды, приводящее к образованию значительных ее запасов в подстилающем суглинке.

Таким образом, нанесенный песчаный слой на погребенных почвах создает более благоприятные почвенно-экологические условия, что подтверждается состоянием и продуктивностью культур сосны обыкновенной (рисунок 10). На погребенных почвах общий запас древесины составляет 438 м /га, что на 37 % больше, чем на непогребенных, если запас привести к возрасту 88 лет.

Рисунок 10 - Запас в насаждениях сосны на погребенных и непогребенных почвах Хреновского бора, м3/га (в среднем для 10 и 3 пробных площадей

соответственно)

5.2 Опыт выращивания сосновых насаждений на трехслойных субстратах в условиях нарушенных земель

Эти выводы подтверждаются исследованиями в опытно-производственном насаждении сосны, заложенном на трехслойном субстрате у основания гидроотвала Березовый лог. Основные почвенно-экологические показатели суглинистого и песчано-мелового субстратов приводятся в таблице 7. В песчано-меловой смеси под 2-летним насаждением сосны содержалось всего 5 т/га гумуса. Только через 28 лет оно увеличилось более чем в 6 раз. Этот субстрат плохо обеспечен азотом, фосфором и калием. С целью установления мощности поверхностного слоя песка были изучены запасы продуктивной влаги в слоистых субстратах (таблица 8). Оказалось, что оптимальная мощность поверхностного слоя - 30 см.

Исследования, проведенные в насаждении сосны в возрасте 30 лет, показали, что средняя высота сосны в этом возрасте равна 17 м, а средний диаметр - 18 см. Эти показатели отличаются от показателей роста сосны на насыпном плодородном слое, которые ниже на 11,2-11,8 % и равны соответственно 15 м и 16 см.

Таким образом, исследования в насаждениях сосны на техногенных землях также показали значительные преимущества трехслойных субстратов с поверх-

ностным песчаным или песчано-меловым слоем, который улучшает почвенно-экологические условия.

Таблица 7 - Основные почвенно-экологические показатели субстратов при трехслойном сложении в насаждении сосны разного возраста

Показатели Субстраты их мощность

пссчано-мсловая смесь (0-40 см) суглинок (40-100 см)

Возраст сосны, лет

2 30 2 30

Содержание фракций (%) при диаметре частиц, мм: меньше 0,01 больше 0,01 5,79 94,21 5,61 94,39 44,65 55,35 18,91 81,09

Плотность сложения, г/см3 1,53 1,52 1,28 1,35

Твердость в слое 0-25 см, кг/см'' 0-35 0-34 40 38

Скважность, % 42 43 53 50

РН 8,6(вод.) 8,1 (сол.) 7,4 (вод.) 7,4 (сол.)

Запасы гумуса, т/га (%) 5 (0,03) 32 (0,21) 190 (1,48) 149 (1,10)

Запасы общего азота, т/га (%) следы 3 (0,02) 8 (0,06) 7 (0,05)

Запасы фосфора, кг/га (мг/100 г) 24 (0,16) 35 (0,23) 54 (0,42) 42(0,31)

Запасы калия, кг/га (мг/100 г) 61 (0,40) 115(0,76) 768 (6,00) 484 (3,58)

Максимальная гигроскопическая влага, % 0,59 0,60 9,50 9,00

Влажность завядания, % 0,88 0,90 14,25 13,50

Таблица 8 - Запасы продуктивной влаги при различной глубине залегания плодородного слоя

Глубина залегания плодородного слоя, см Содержание продуктивной влаги, мм

в 1-метровом слое в плодородном слое

влажный период 22.06.198 3 засушливый период 22.07.1983 засушливый период 15.08.2010 влажный период 22.06.198 3 засушливый период 22.07.1983 засушливый период 15.08.2010

0-30 44,52 29,98 30,00 29,11 6,59 6,61

10-40 103,91 45,45 45,44 69,34 16,17 16,16

20-50 112,92 67,93 67,92 63,76 42,71 42,73

30-60 121,53 81,87 81,88 72,95 53,90 53,93

Для теоретического обоснования мощности погребенного плодородного слоя в качестве основного показателя было принято содержание гумуса в метровом слое. Учитывались и другие факторы: полнота, масса напочвенного покрова, содержание продуктивной влаги в основном корнеобитаемом слое.

Оказалось, что для выращивания насаждений сосны с запасом 438 м3/га мощность погребенного плодородного слоя может колебаться от 120 см при содержании гумуса в субстрате 1 % до 25 см при содержании гумуса около 5 %. Оптимальными вариантами будут плодородные слои мощностью от 50 см при содержании гумуса в них 2,4 % до 25 см при содержании гумуса 4,9 %.

6 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЧВОУЛУЧШАЮЩИХ ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТВАЛАХ

6.1 Видовое разнообразие растительности в защитных лесных насаждениях, их особенности и динамика формирования

В результате создания защитных насаждений на промышленных отвалах постепенно формируются биоценозы, под влиянием которых происходит изменение свойств вскрышных пород и их смесей и постепенная трансформация их в почвы. К 38-летнему возрасту на опытном участке отвала рыхлой вскрыши остались робиния лжеакация, береза повислая, ива остролистная, клен ясенелистный и облепиха крушиновая. Изучая динамику роста и состояния насаждений древесных пород, оказалось, что их приживаемость находилась в пределах от 75,9 до 91,2 %, причем максимальная характерна для облепихи и клена. К 38 годам сохранность облепихи и клена, а также робинии, по-прежнему остается более высокой - 46,6, 53,4 и 44,3 % соответственно (таблица 9).

Более высокая энергия роста присуща робинии и облепихе в первые 7 лет; клен и береза в этом возрасте характеризуются замедленным ростом, а ива занимает промежуточное положение между ними (рисунок 11).

Робиния Еереза Ива Клен Облепиха

Порода

Рисунок 11 - Динамика роста в высоту деревьев и кустарников в защитных насаждениях на отвале рыхлой вскрыши

В 17 лет продуктивность насаждений на отвалах максимальная. К 38 годам рост в высоту у всех пород ослабевает (рисунок 12), а по диаметру продолжается. У клена и березы в транзитно-аккумулятивной части отвала отмечаются более высокие биометрические показатели: средняя высота - 11,7 и 14,9 м, а средний диаметр -17,94 и 21,23 см соответственно. Запас у этих насаждений также самый высокий в нижней части откоса - 173 и 198 м3 на 1га. Облепиха здесь характеризуется более низкими биометрическими показателями в связи с большой загущенностью. Ее сохранность - 51,3 %. Ива, имеющая сохранность 13,3 %, оказалась непригодной породой для облесения отвалов крутизной 35-40°, особенно в элювиально-транзитной и элювиальной частях откосов.

Таблица 9 - Показатели состояния и роста древесных пород в защитных лесных насаждениях на отвале рыхлой вскрыши (возраст 38 лет)

Древесные породы Часть откоса отвала Сохранность, % Средняя высота, м Средний прирост по высоте, см Средний диаметр на 1,3 м (М ± т), см Бонитет Запас, м3/га

Робиния лжеакация транзитно-аккумулятивная 46,9 14,5 38,2 10,07 ± 0,38 II 76

элювиально-транзитная 43,0 9,7 25,5 11,46 ±0,39 IV 49

элювиальная 43,0 12,7 33,4 13,31 ±0,62 III 81

Береза повислая транзитно-аккумулятивная 30,0 14,9 39,2 21,23 ±0,42 II 198

элювиально-транзитная 40,0 14,1 37,1 12,51 ±0,47 II 93

элювиальная 40,0 14,0 36,8 13,34 ±0,77 II 107

Ива остролистная транзитно-аккумулятивная - - - - - -

элювиально-транзитная 10,0 4,2 11,1 6,48 ± 0,22 - -

элювиальная 30,0 6,1 16,1 8,20 ±0,36 - -

Клен ясенелистный транзитно-аккумулятивная 54,7 11,7 30,8 17,94 ± 0,30 III 173

элювиально-транзитная 53,6 8,8 23,2 13,51 ±0,29 IV 76

элювиальная 51,8 8,0 21Д 8,78 ± 0,36 V 27

Облепиха крушиновая транзитно-аккумулятивная 51,3 ■ 4,5 11,8 6,78 ± 0,56 - -

элювиально-транзитная 47,1 5,5 14,5 8,34 ±0,40 - -

элювиальная 41,4 6,0 15,8 13,68 ± 0,27 - -

♦ Робиния а Облепиха

Клен х Береза ж Ива

30 35 40 Возраст, лет

Рисунок 12 -Зависимость высоты древесных пород в защитных насаждениях от возраста на отвале рыхлой вскрыши

По породам зависимость высоты от возраста выражается уравнениями:

R2 = 0,9984 R2 = 0,9586

R = 0,9746 R2 = 0,9585 R2 = 0,9586

(5)

(6)

(7)

(8) (9)

Робиния: у = -0,0108 х2 + 0,72 х;

Облепиха: у = -0,0067 х2 + 0,3908 х;

Клен: у = -0,0016 х2 + 0,3149 х;

Береза: у = -0,0025 х2 + 0,4767 х;

Ива: у = -0,0067 х2 + 0,3908 х;

В защитных насаждениях имеются подрост и подлесок. В насаждении робинии количество подроста в возрасте 6-10 лет колеблется в пределах от 400 до 4000 штук на 1 га, облепихи -10000, березы - от 600 до 2600, клена - от 800 до 2600 штук на 1 га, а в 38-летнем насаждении ивы подрост полностью отсутствует. Подлесок во всех насаждениях редкий или совсем отсутствует.

Естественные фитоценозы представлены только травянистой растительностью. Флористический состав трав в природном и соседнем искусственном фито-ценозах насчитывает 49 видов, относящихся к 21 семейству. На контрольном участке (без проведения лесной рекультивации) он представлен 11-18 видами, тогда как под насаждениями - 1-11. Преобладающими по числу видов являются семейства сложноцветные и злаковые. Степень проективного покрытия субстрата контрольного участка растениями составляет 60-80 %, причем в элювиальной части откоса она выше, чем в транзитно-аккумулятивной и элювиально-транзитной на 12,5-25,0 %. В насаждении робинии лжеакации она достигает 100 %, т.к. под этой породой субстрат характеризуется лучшими агрохимическими свойствами.

6.2 Изменение свойств субстратов под влиянием природных и искусственных фитоценозов

6.2.1 Влияние растительности на изменение гранулометрического состава субстратов

Природные и искусственные фитоценозы по-разному влияют на изменение гранулометрического состава и агрохимических свойств горных пород и их смесей. Гранулометрический состав грунтосмесей в отвалах без проведения лесной рекультивации изменяется за счет вымывания и переноса частиц диаметром менее

0,01 мм из верхних частей откоса в нижние, в результате чего песчано-меловая смесь супесчаного гранулометрического состава превращается в верхней части отвала в песок связный, а в нижней - в суглинок легкий.

Защитные насаждения активнее, по сравнению с естественной травянистой растительностью, кольматируют твердый сток. Лишь они в техногенных ландшафтах способны в значительной степени ослабить процессы эрозии и дефляции. Однако в первые четыре десятилетия под их влиянием не произошло существенного изменения в гранулометрическом составе песчано-меловой смеси отвала рыхлой вскрыши. На большинстве пробных площадей, особенно в элювиальной и элювиально-транзитной частях откоса, он остался супесчаным. Из этого следует, что состав насаждений не оказывает воздействия на изменение гранулометрического состава субстратов.

6.2.2 Влияние растительности на изменение агрохимических свойств

субстратов

Повышение плодородия субстратов связано с химическим составом опада в растительных сообществах. Максимальное количество азота в 38-летних насаждениях содержится в листовом опаде облепихи и клена - 2,72 и 2,07 % соответственно (таблица 10). Больше всего кальция (4,69 %) содержит опад робинии лжеакации. Содержание фосфора меняется в незначительных пределах - от 0,13 % в опаде березы до максимального значения, равного 0,31 %, в опаде ивы. Для ивы характерно также и максимальное содержание магния - 0,97 %. Содержание калия в листовом опаде исследуемых пород составляет также, как фосфора и магния, менее 1 %.

Таблица 10 - Запасы химических элементов в листовом опаде древесных пород в защитных насаждениях, 2009 г.

Порода Масса листового опада, т/га Содержание химических элементов, кг/га

N Р К Са ме зола

Робиния 5,69 100,14 7,40 18,78 266,86 14,79 1018,51

Береза 1,71 17,44 2,91 6,67 65,84 10,94 292,75

Клен 4,58 94,81 6,87 13,28 151,14 20,15 622,42

Облепиха 2,22 60,38 5,33 18,43 52,17 13,10 215,78

Если расположить изучаемые породы по степени убывания главнейших органогенов (Са+К+Р), то получается следующий ряд: робиния - 293,04 кг/га, клен -171,29, облепиха - 75,93 и береза - 75, 42 кг/га. Максимальное поступление этих элементов в насаждениях робинии и клена объясняется как большой массой листового опада (5,69 и 4,58 т/га), так и высоким содержанием в нем кальция.

Травянистый покров играет определенную роль в изменении свойств грун-тосмесей. Основными особенностями химического состава трав является пример-

но одинаковое содержание азота и кальция (2,04 и 1,96 %) и более высокое содержание калия (2,69 %). Содержание этих макроэлементов соответственно в 1,22,4 раза ниже и в 3,2-9,3 раза выше, чем в листовом опаде 38-летних насаждений.

Таким образом, природа, количество и химический состав опада в фитоце-нозах техногенных ландшафтов играют большую роль в трансформации субстратов отвалов в слаборазвитые почвы — эмбриоземы.

В процессе существования естественных и искусственных фитоценозов изменяются агрохимические свойства субстратов, что свидетельствует о протекании элементарных почвообразовательных процессов (таблица 11). На изменение реакции почвенного раствора влияет характер растительности, но не породный состав древостоя. За 38 лет снизилось значение рН на 0,14-0,47, в результате чего песча-но-меловая смесь отвала рыхлой вскрыши приобрела щелочную реакцию среды с рН = 8,08 - под естественным травянистым покровом и рН = 7,61-7,94 - под защитными насаждениями (в момент отсыпки отвала субстрат характеризовался сильнощелочной реакцией с максимальным значением рН = 9,66).

В течение четырех десятилетий произошли изменения в структуре фитоценозов: увеличилась доля древесных и кустарниковых растений и ослабли позиции травянистых, что способствовало более интенсивному накоплению органического вещества.

Характер растительности оказывает влияние на накопление в субстрате основных питательных элементов. За истекший период произошли следующие изменения: содержание общего азота увеличилось в природном фитоценозе в 60 раз, а в искусственном - до 90 раз; фосфора - соответственно в 1,5 и 1,9 раза (под насаждением облепихи); максимальное содержание калия (149-190 мг на 1 кг почвы) характерно для фитоценозов с проективным покрытием живого напочвенного покрова, приближающегося к 100 %; естественная травянистая растительность способствовала снижению содержания кальция в ППК в 1,7 раза, а магния - в 3,8 раза. Характер растительности не играет существенной роли в перераспределении поглощенных оснований; под 38-летними защитными лесными насаждениями насыщенность субстрата основаниями составляет 97,6 % (под облепихой и робинией), а под естественным травянистым покровом — 96,4 %;

7 ЛЕСОВОДСТВЕННАЯ И ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ НА ТЕХНОГЕННО НАРУШЕННЫХ ЗЕМЛЯХ

При экономической оценке формирования защитных лесных насаждений на нарушенных землях целесообразно сравнить доходы и затраты на лесную рекультивацию, которой предшествуют разные горнотехнические этапы: поверхностное нанесение плодородного слоя, формирование трехслойных субстратов с погребенным плодородным слоем и без поверхностного улучшения субстратов. Первые два способа рассмотрим на примере сосны обыкновенной, т.к. создать высокопродуктивные насаждения сосны на отвалах в техногенных ландшафтах пытаются во всех регионах нашей страны и за рубежом.

Таблица 11 - Изменение агрохимических свойств субстрата отвала рыхлой вскрыши под влиянием природных и искусственных фитоценозов (в среднем по откосу), слой 0-20 см, 2008 г.

Опытный участок Возраст, лет рН солевой вытяжки Гумус, % Азот общий, % Р205 К20 Гидролитическая кислотность Са (трил.) мё (трил.) Степень насыщенности почв основаниями, %

мг/кг мг/экв. на 100 г

Разнотравье (контроль) 1 8,30 0,50 0,001 -15,3 -63,3 - 7,4 3,8 -

17 8,14 0,36 0,001 -18,0 -87,0 - 5,4 2,1 -

38 8,08 1,05 0,06 -23,3 -100,3 0,2 4,4 1,0 96,4

Робиния лжеакация 38 7,78 1,80 0,09 -19,7 -137,3 0,2 6,8 1,2 97,6

Береза повислая 38 7,82 1,07 0,05 -24,7 -89,7 0,2 6,7 1,1 97,5

Ива остролистная 38 7,61 0,77 0,04 -16,0 -63,5 0,2 6,0 0,8 97,1

Клен ясенелист-ный 38 7,94 1,21 0,07 -26,0 -67,3 0,2 5,2 0,7 96,7

Облепиха крушиновая 38 7,82 1,38 0,07 -29,5 -107,0 0,2 6,9 1,1 97,6

Однако вырастить насаждение сосны эксплуатационного значения при поверхностном землевании можно только в том случае, если верхний плодородный слой будет иметь мощность не менее 80-100 см. При меньшей мощности возможна, либо полная гибель насаждений в возрасте 20-25 лет, либо насаждение будет расти по IV классу бонитета и иметь лишь защитное значение.

При формировании субстратов с погребенным плодородным слоем можно вырастить насаждение более высокой продуктивности. Для расчетов целесообразно принять мощность погребенного плодородного слоя 30 см с содержанием гумуса 4% и такую же мощность верхнего мульчирующего слоя песка.

Расчеты показали, что затраты на улучшение условий формирования насаждений с погребенным плодородным слоем в 1,7 раза ниже, чем при поверхностном землевании.

При определении затрат на биологический этап рекультивации следует учитывать, что на трехслойных субстратах с поверхностным слоем песка или песча-но-меловой смеси насаждение можно вырастить без обработки субстрата и лесо-культурных уходов, но необходимо обязательно применять мероприятия против дефляции. В соответствии с расчетами затраты на выращивание насаждений сосны равны: при поверхностном нанесении плодородного слоя - 44,05 тыс. руб. на 1 га, а с погребенным плодородным слоем - 19,33 тыс. руб., что в 2,3 раза меньше.

При формировании насаждений на слоистых субстратах для определения ле-соводственно-эколого-экономического эффекта от насаждений сосны следует учитывать чистый доход от реализации древесины, санитарно-гигиеническое и рекреационное значение насаждений.

Для определения экономической эффективности почвоулучшающего воздействия защитных лесных насаждений целесообразно рассчитать стоимость гумуса и основных питательных элементов (N, Р, К), которыми обогащают песчано-меловую смесь различные древесные породы, и сравнить ее со стоимостью органических и минеральных удобрений. Робиния лжеакация и облепиха крушиновая максимально влияют на изменение почвенно-экологических условий отвала.

Целесообразно сравнить два варианта: создание защитного насаждения путем сплошной посадки 2-летних сеянцев робинии и насаждения облепихи - 2-3-летними корневыми отпрысками. В большинстве случаев на отвалах, сложенных вскрышными горными породами и их смесями, слабо зарастающими в первые годы травянистой растительностью, насаждения создаются без подготовки субстрата, вручную, без проведения лесокультурных уходов. В первом варианте сеянцы высаживаются на откосе с размещением посадочных мест 2,0 х 0,5 м (10 тыс. штук на 1 га), во втором - отдельными рядами с размещением 10,0 х 2,5 м (400 растений на 1 га). В последующем, через 3-4 года, благодаря своей корнеотпры-сковой способности, облепиха естественным путем распространяется по всему участку.

Расчеты показали, что общие затраты в ценах 2012 г. на создание 1 га насаждения робинии составляют 37,12 тыс. руб., а облепихи - 5,19 тыс. руб. (таблица

Экономическая эффективность каждого способа формирования насаждении определена как отношение общего эффекта от насаждений к затратам на их соз-

дание. Из таблицы 12 видно, что срок окупаемости затрат при поверхностном землевании составляет 71,1 года, при формировании трехслойных субстратов с погребенным плодородным слоем - 29,6 года, а при использовании почвоулуч-шающих древесных пород - 3,6 года.

Таблица 12 - Экономическая эффективность формирования защитных лесных насаждений

Показатели Ед. изм. Формирование защитных лесных насаждений

при поверхностном землевании (для сосновых насаждений) при формировании трехслойных субстратов (для сосновых насаждений) при использовании почвоулучшающих пород

робинии лжеакации облепихи крушиновой

1. Нанесение плодородного слоя на песок тыс. руб. 5290,00 1587,00 - -

2. Нанесение песка на плодородный слой тыс. руб. - 1587,00 - -

3. Стоимость основных питательных элементов в плодородном слое тыс. руб. 416,05 124,75 136,85 111,50

4. Затраты на формирование слоистых субстратов тыс. руб. 5706,05 3298,75 - -

5. Затраты на биологический этап рекультивации тыс. руб. 44,05 19,33 37,12 5,19

6. Общие затраты на выращивание насаждений тыс. руб. 5750,01 3318,08 173,97 116,69

7. Чистый ежегодный доход от реализации древесины тыс. руб. 5,12 6,82 - -

8. Ежегодный эффект от обогащения воздуха кислородом тыс. руб. 75,77 105,10 43,99 29,33

9. Ежегодный эффект от почвоулучшающей роли насаждений тыс. руб. - - 3,74 2,96

10. Общий эффект от насаждений тыс. руб. 80,89 111,92 47,73 32,29

11. Экономическая эффективность 0,01 0,03 0,27 0,28

12. Срок окупаемости затрат лет 71,1 29,6 3,6 3,6

Таким образом, затраты на землевание позволяют признать этот способ повышения плодородия бедных субстратов промышленных отвалов экономически нецелесообразным для лесной рекультивации.

При необходимости в создании насаждений сосны эксплуатационного значения следует формировать трехслойные субстраты с погребенным плодородным слоем мощностью 30 см под слоем песка или песчано-меловой смеси такой мощности.

Более доступным и дешевым способом формирования рекультивационных насаждений является предварительное создание защитных насаждений из почво-улучшающих древесных пород - робинии лжеакации и облепихи крушиновой. Несмотря на то, что затраты на выращивание насаждения облепихи в 7,1 раза ниже затрат на выращивание насаждения из робинии, предпочтение следует отдавать последней. Это связано с тем, что почвоулучшающая роль этой породы значительно выше, а к 40 годам в связи с низкой продуктивностью и сохранностью эти насаждения могут быть реконструированы с целью создания насаждений из более ценных древесных пород.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований и полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Вскрышные породы в промышленных отвалах Курской магнитной аномалии без мероприятий по повышению их плодородия являются малопригодными для выращивания долговечных насаждений хозяйственно-ценных пород, даже сосны обыкновенной, несмотря на то, что она является малотребовательной к поч-венно-грунтовым условиям.

2. В условиях отвально-техногенных ландшафтов ведущими абиотическими факторами, определяющими особенности роста и развития растительности, а также влияющими на успех рекультивации земель, являются эдафические (почвенно-грунтовые), параметры которых зависят от свойств вскрышных пород. Тяжелосуглинистый или глинистый гумусированный слой, наносимый при землевании, обладает относительно высоким плодородием (содержание гумуса - 4,0-4,5 %) и значительной емкостью обмена - 21-28 мг/экв. на 100 г почвы при рН - 7,2-7,6.

Одним из негативных факторов двухслойных субстратов является ряд отрицательных агрофизических и физико-механических свойств верхнего плодородного слоя, отличающегося бесструктурностью, низкой порозностью (37-39 %), высокой плотностью (1,33-1,54 г/см3) и твердостью сложения на глубине 40-50 см (36-44 кг/см2).

3. Успех биологической рекультивации зависит и от влагонакопления в субстратах отвалов. Поверхностное землевание слоем 30-40 см не обеспечивает в достаточное накопление влаги, необходимой для роста продуктивных древесных растительных сообществ. Увеличение мощности плодородного слоя до 80-100 см, с одной стороны, приводит к повышению запасов химических элементов в корне-обитаемом слое, а с другой - способствует ухудшению его водно-физических свойств и уменьшению запасов влаги.

4. По данным мониторинга процесса лесной рекультивации отвалов после землевания оказалось, что к возрасту 35-36 лет лучшие показатели имеют роби-

ния лжеакация, береза повислая, клен ясенелистный, облепиха крушиновая и сосна обыкновенная. Более высокими биометрическими показателями характеризуются береза и сосна (высота 15,0 м, диаметр 13,0 и 16,0 см). Эти породы могли бы подойти для создания на отвалах насаждений эксплуатационного назначения, но их низкая сохранность (35,5 и 35,0 % соответственно), обусловленная неудовлетворительными водно-физическими свойствами насыпного плодородного слоя, говорит о бесперспективности таких насаждений.

Для создания защитных насаждений из робинии и облепихи, являющихся почвоулучшающими породами, такой способ повышения плодородия субстратов является слишком дорогостоящим и поэтому - нецелесообразным.

5. Более эффективным способом повышения плодородия грунтосмесей по сравнению с поверхностным землеванием является формирование трехслойных субстратов с погребенным плодородным слоем. Мощность погребенного слоя должна составлять не менее 120 см при содержании гумуса в субстрате 1 %, а при содержании гумуса около 5 % - не менее 25 см. При формировании трехслойных субстратов с верхним песчаным слоем от 30 до 50 см, оптимальными являются плодородные слои мощностью от 50 см при содержании гумуса в них 2,4 % до 25 см при содержании гумуса 4,9 %.

6. На отвалах, сложенных песчано-меловыми смесями, со временем формируются естественные и искусственные фитоценозы. В первые 38 лет появление древесных пород естественным путем на контрольном участке (без проведения лесной рекультивации) отсутствует. Природные фитоценозы представлены лишь травянистой растительностью из 49 видов, относящихся к 22 семействам.

Для создания искусственных фитоценозов в отвально-техногенных ландшафтах наиболее перспективными породами являются облепиха крушиновая, робиния лжеакация и клен ясенелистный. Максимальная приживаемость культур отмечается у облепихи и клена (90,5-91,2 %). К 38 годам сохранность этих пород, а также робинии, по-прежнему остается более высокой (46,6, 53,4 и 44,3 %).

С учетом естественного возобновления, которое в насаждении облепихи -хорошее, робинии - удовлетворительное, клена - слабое и березы - плохое, видовое разнообразие выше в насаждении робинии и облепихи.

7. За 38 лет природные и искусственные фитоценозы оказали большое влияние на свойства субстратов в отвалах, постепенно трансформирующихся в почвы, которое выразилось в снижении значений рН (соответственно в 1,19 и 1,24 раза) и в увеличении:

- содержания гумуса в 2,1 и 2,4-4,1 раза;

- содержания общего азота в природном фитоценозе в 60 раз (0,06 %, тогда как под насаждением робинии лжеакации, - 0,09 %);

- содержания фосфора (под естественным травянистым покровом в 1,5 раза, под насаждением облепихи - в 1,9 раза);

- количества калия в субстрате под защитными насаждениями в 1,1-1,4 раза.

8. На откосах отвалов четко выделяются три группы местоположений, которым отвечают соответствующие типы фаций:

- элювиальные (верхние), приуроченные к поясу выноса;

- элювиально-транзитные (средние), подчиняющиеся закономерностям миг-

рационных потоков;

- транзитно-аккумулятивные (нижние).

Максимальное количество гумуса и основных питательных элементов содержится в верхнем 5-сантиметровом слое в транзитно-аккумулятивной части откоса отвала.

9. Степень воздействия древесных пород на субстраты в отвалах оценивается как:

- высокая (быстрорастущие виды, обладающие корнеотпрысковой способностью и породы-азотонакопители - робиния лжеакация, облепиха крушиновая);

- средняя (породы с богатым листовым опадом, хорошо размножающиеся семенным путем — клен ясенелистный);

- низкая (медленнорастущие виды, имеющие неразветвленную корневую систему - береза повислая).

Все вышеизложенное позволяет сделать следующие рекомендации производству:

1. С целью ускорения восстановления техногенно нарушенных земель рекомендуется применять двухэтапную систему рекультивации. На первом этапе с помощью почвоулучшающих древесных пород следует формировать защитные лесные насаждения. Выбор пород обосновывается не только экономическими, но и природоохранными аспектами. Несмотря на то, что затраты на выращивание 1 га насаждений облепихи в 7,1 раза ниже затрат на выращивание насаждения из робинии лжеакации (соответственно 5,19 и 37,12 тыс. руб.), а срок окупаемости затрат в обоих случаях равен 3,6 года, предпочтение следует отдавать робинии.

Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, почвоулучшающая роль робинии по стоимости привнесенного гумуса и основных питательных элементов в верхнем 20-сантиметровом слое значительно выше (136,85 и 111,50 тыс. руб. соответственно). Во-вторых, к 40 годам такие насаждения в экстремальных условиях отвалов распадаются, их продуктивность снижается до IV класса бонитета.

На втором этапе рекультивации такие насаждения подлежат реконструкции с целью создания лесных насаждений из более ценных древесных пород, в том числе хвойных.

2. Основные вскрышные породы и их смеси целесообразно использовать следующим образом:

- четвертичные суглинки как наиболее плодородные, но имеющие тяжелый гранулометричекий состав и высокую твердость складировать во временные отвалы для последующего землевания при сельскохозяйственной рекультивации или для формирования трехслойных субстратов с погребенным плодородным слоем с целью выращивания защитных и эксплуатационных лесных насаждений эколого-ресурсного назначения хозяйственно ценных древесных пород;

- мело-мергельные смеси в связи с их неблагоприятными водно-физическими свойствами использовать для выращивания только защитных насаждений, выполняющих средообразующие, санитарно-гигиенические, оздоровительные, рекреационные, эстетические и иные полезные функции;

- пески разного происхождения, не- и малопригодные для выращивания защитных насаждений без предварительного улучшения, складировать во времен-

ные отвалы для последующего использования в строительных целях;

- песчано-меловые смеси применять для выращивания защитных насаждений с использованием на начальном этапе почвоулучшающих древесных пород.

3. Проводить на временных отвалах лесную рекультивацию по малозатратным технологиям путем создания защитных насаждений древесных пород, в первую очередь облепихи, которую рекомендуется высаживать корневыми отпрысками с размещением посадочных мест 10,0 х 2,5 м.

4. Повышать плодородие бедных субстратов за счет:

а) формирования трехслойных субстратов с погребенным плодородным слоем мощностью 30-50 см под 30-сантиметровым слоем песка или песчано-меловой смеси;

б) создания на начальном этапе рекультивации отвалов защитных лесных насаждений преимущественно из почвоулучшающих древесных пород.

5. Создавать смешанные культуры сосны с участием почвоулучшающих древесных пород.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Васильченко, Т. И. Экологические особенности флоры и растительности мергельно-меловых и меловых субстратов верхнего Поосколья при естественном зарастании / Т. И. Васильченко, Э. И. Трещевская // Экология. - 1981. - № 2 - С 34-38.

2. Андрющенко, П. Ф. Опыт выращивания культур сосны обыкновенной на отвалах КМА / П. Ф. Андрющенко, Я. В. Панков, Э. И. Трещевская // Лесной журнал. - 1982. -№ 4. - С. 30-33.

3. Трещевская, Э. И. Экологическое и лесохозяйственное значение нанесенного песчаного слоя на погребенных почвах / Э. И. Трещевская // Лесной журнал. -1984.-№ 6.-С. 23-26.

4. Шаталов, В. Г. Ландшафтно-геохимический подход к лесной рекультивации песчаных и песчано-меловых отвалов Курской магнитной аномалии / В. Г. Шаталов, Г. А. Одноралов, Э. И. Трещевская // Лесной журнал. - 1994. - № 4. - С. 116-119.

5. Трещевский, И. Вик. Изменение свойств грунтосмесей в отвалах Курской магнитной аномалии в результате биологической рекультивации / И. Вик. Трещевский, М. Ю. Глатко, Э. И. Трещевская // Лесной журнал. - 2008. - № 6. - С 121-126.

6. Трещевская, Э. И. Формирование живого напочвенного покрова в защитных насаждениях на отвале рыхлой вскрыши Курской магнитной аномалии / Э. И. Трещевская, Я. В. Панков, И. Вик. Трещевский // Известия Самарского научного центра Российской академии наук.-2011.-Т. 13.-№ 1 (4).-С. 915-918.

7. Панков, Я. В. Опыт использования сосны обыкновенной при рекультивации промышленных отвалов Курской магнитной аномалии / Я.В. Панков, Э. И. Трещевская, С. В. Трещевская // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. - 2012. - № 76 (02). - С. 370-382. - Режим floCTyna:http://ej.kubagro.ru

/2012/02/рсШ31.

8. Трещевская, Э. И. Итоги биологической рекультивации отвалов Курской магнитной аномалии после землевания / Э. И. Трещевская, Я. В. Панков, И. Вик. Трещевский // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2012. - Т. 14 - № 1 (9). - С. 2447-2450.

9. Трещевская, Э. И. Орографические особенности и развитие эрозии на нарушенных землях Курской магнитной аномалии / Э. И. Трещевская, Т. А. Мали-нина, С. В. Трещевская // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. - СПб., 2012. - Вып. 201. - С. 70-77.

10. Трещевская, Э. И. Характеристика субстратов в промышленных отвалах Курской магнитной аномалии после землевания / Э. И. Трещевская, Е. Н. Тихонова, С. В. Трещевская // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета [Электронный ресурс]. -2012. - №83 (09). - С. 305-316 - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/09/pdf/22.

11. Трещевская, Э. И. Формирование слоистых субстратов при лесной рекультивации нарушенных земель Курской магнитной аномалии / Э. И. Трещевская, С. В. Трещевская, К. В. Бобрешов // Регион: системы, экономика, управление. - 2012. - № 4 (19). - С. 132-137.

Монографии и рекомендации:

12. Лесная рекультивация нарушенных земель : монография / Я. В. Панков [и др.]. - Воронеж : ВГУ, 1991. - 184 с.

13. Рекомендации по созданию лесных культур и интенсификации их роста на нарушенных землях КМА / Я. В. Панков [и др.] ; ВЛТИ. - Воронеж ; Губкин, 1991.-15 с.

14. Трещевская, Э. И. Повышение плодородия субстратов в промышленных отвалах Курской магнитной аномалии : монография / Э. И. Трещевская, Я. В. Панков, И. Вик. Трещевский ; ВГЛТА. - Воронеж, 2011. - 187 с.

15. Рекомендации по повышению плодородия песков и песчано-меловых смесей при лесной рекультивации отвалов Курской магнитной аномалии Текст] / Э. И. Трещевская [и др.]. - Воронеж ; Губкин : Воронежский ЦНТИ-филиал ФГБУ «РЭА» Минэнерго России, 2012. - 18 с.

Учебно-методическая литература:

16. Трещевская, Э. И. Нарушенные ландшафты и принципы их мелиорации : текст лекций / Э. И. Трещевская ; ВГЛТА. - Воронеж, 1995. - 44 с.

Основные статьи в других изданиях:

17. Свиридова, И. К. Опыт и перспективы выращивания культур сосны обыкновенной на отвалах КМА : [деп. рукопись] / И. К. Свиридова, Э. И. Трещевская; ВЛТИ. - Воронеж, 1984. - 15 с. - Деп. в ЦБНТИ лесхоз 09.08.84, № 317лх-84.

18. Свиридова, И. К. Биологическая продуктивность древесно-кустарниковых пород на рекультивируемых землях КМА : [деп. рукопись] / И. К. Свиридова, Э. И. Трещевская ; ВЛТИ. - Воронеж, 1985. - 15 с. - Деп. в ЦБНТИ

лесхоз 06.05.85, № 368лх-85.

19. Каптюг, В. А. Мелиоративное значение трав при выращивании защитных насаждений на отвалах КМ А / В. А. Каптюг, Э. И. Трещевская // Освоение мелиорируемых земель и вопросы гидрологии в Центрально-Черноземной зоне : сборник научных трудов / ВСХИ. - Воронеж, 1985. - С. 90-94.

20. Трещевская, Э. И. Мелиорация отвалыго-техногенных ландшафтов путем формирования двухчленных субстратов в метровой толщине / Э. И. Трещевская // Вопросы комплексных мелиораций в Центрально-Черноземной зоне : сборник научных трудов / ВСХИ. - Воронеж, 1986. - С. 126-129.

21. Трещевская, Э. И. Оптимизация экологических условий для выращивания культур сосны на отвалах КМА / Э. И. Трещевская // Плодородие почв Среднерусской лесостепи и пути его регулирования: межвузовский сборник научных трудов/ВГУ.-Воронеж, 1988.-С. 131-136.

22. Трещевская, Э. И. Облесение сосной обыкновенной песчаных отвалов / Э. И. Трещевская // Лесная геоботаника и биология древесных растений : межвузовский сборник научных трудов / БТИ. - Брянск, 1989. - С. 117-123.

23. Облесение отвалов и водохранилищ в бассейне КМА / Я. В. Панков [и др.] / Экологические основы природопользования в бассейне Дона : материалы научно-практической конференции. - Воронеж, 1991. - С. 113-115.

24. Изучить влияние, определить зоны и провести экономическую оценку воздействия горных выработок на прилегающие территории по базовым объектам и дать предложения для использования при разработке проектов рекультивации / В. Г. Шагалов [и др.] // Агролесомелиоративные исследования в СССР за 19861990 г.: информационные сообщения. - Волгоград : ВНИАЛМИ, 1991. - Вып. 70 - С. 82.

25. Одноралов, Г. А. Ландшафтно-экологические основы рекультивации нарушенных земель Курской магнитной аномалии / Г. А. Одноралов, Э. И. Трещевская, Е. Н. Тихонова // Проблемы агролесомелиорации на черноземах России (Итоги и опыт за 50 лет, задачи на ближайшую перспективу) : материалы Всерос. научно-практ. конф. / ВГЛТА. - Воронеж, 1998. - С. 78-80.

26. Трещевская, Э. И. Сосна обыкновенная - основная порода для облесения техногенных ландшафтов / Э. И. Трещевская // Проблемы агролесомелиорации на черноземах России (Итоги и опыт за 50 лет, задачи на ближайшую перспективу) : материалы Всероссийской научно-практической конференции, Воронеж, 17-18 сентября 1998 г. / гл. ред. В. Г. Шаталов. - Воронеж, 1998. - С. 81-82.

27. Трещевская, Э. И. Принципы облесения карбонатных обнажений и бедных карбонатных почв Среднерусской возвышенности / Э. И. Трещевская // Лесные экосистемы зеленой зоны города Воронежа : сборник научных статей по мат. научно-практ. конф."Проблемы устойчивого развития и управления лесными экосистемами зеленой зоны города Воронежа". - Воронеж : ВГУ, 1999. - С. 95-99.

28. Трещевская, Э. И. Содержание тяжелых металлов в почвах в районе КМА / Э. И. Трещевская // Облесение нарушенных и бросовых земель ЦЧР : сборник материалов 4 Международной научно-практической конференции "Биологическая рекультивация нарушенных земель", посвященной 30-летию Воронежской школы рекультиваторщиков (15-20 июня 1999 г.) / отв. ред. Я. В. Панков;

Воронеж, гос. лесотехн. акад. — Воронеж, 2000. - С. 63-65.

29. Трещевская, Э. И. Принципы и технология облесения эродированных земель / Э. И. Трещевская // Облесение нарушенных и бросовых земель ЦЧР : сборник материалов 4 Международной научно-практической конференции "Биологическая рекультивация нарушенных земель", посвященной 30-летию Воронежской школы рекультиваторщиков (15-20 июня 1999 г.) / отв. ред. Я. В. Панков; Воронеж, гос. лесотехн. акад. - Воронеж, 2000. - С. 82-88.

30. Быстрорастущие породы на нарушенных землях КМА / Я. В. Панков [и др.] // Интеграция науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины : материалы международной научно-практической конференции, Воронеж, 13-16 июня 2000 г. / ВГЛТА. - Воронеж, 2000. - С. 276-279.

31. Тихонова, Е. Н. Влияние различных древесных пород на гумусообразо-вание в условиях нарушенных земель / Е. Н. Тихонова, Э. И. Трещевская // Динамика лесистости в малолесных районах европейской части России. Проблемы и перспективы : материалы Всерос. научно-техн. конф. : межвуз. сб. науч. тр. / ВГЛТА. - Воронеж, 2003. - С. 98-100.

32. Лесная рекультивация - основной способ восстановления экологического равновесия нарушенных и деградированных земель / Я.В. Панков [и др.] // Совершенствование наземного обеспечения авиации : материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 100-летию военной авиации (2223 октября 2003). Секция № 3: Экологическая безопасность и / ВВАИИ. - Воронеж, 2003. - С. 70.

33. Трещевская, Э. И. Облесение дефлированных почв и субстратов ЦЧР / Э. И. Трещевская, Е. Н. Тихонова, Г. А. Одноралов // Интеграция науки, образования и производства для развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса : материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Воронеж, 28-30 июня 2004 г. / Воронеж, гос. лесотехн. акад. - Воронеж, 2004. - С. 303-305.

34. Тихонова, Е. Н. Агротехнические свойства субстратов на рекультивируемых территориях КМА / Е. Н. Тихонова, Э. И. Трещевская, Ю. В. Лавуден-шлегер // Генетика, селекция, семеноводство и разведение древесных пород в лесостепи : материалы межрегиональной конференции, посвященной 95-летию со дня рождения профессора Михаила Михайловича Вересина, Воронеж, 12 февраля 2005 г. / редкол.: В. К. Попов (гл. ред.) [и др.] ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Воронеж, гос. лесотехн. акад., каф. лесн. культур и селекции. - Воронеж, 2005. - С. 123-125.

35. Трещевская, Э. И. Опыт и перспективы выращивания сосны обыкновенной на суглинках ЦЧР / Э. И. Трещевская // Наука и образование на службе лесного комплекса (к 75-летию ВГЛТА) : материалы Междунар. науч.-практ. конф. 2628 окт. 2005 г. : в 2 т. / под ред. авторов; М-во образования и науки, Фед. агентство по науке и инновациям, Адм. Воронеж, обл., Воронеж, гос. лесотехн. акад. -Воронеж, 2005. - Т. 1,- С. 195-199.

36. Трещевская, Э. И. О значении биологической рекультивации в повышении производительности отвально-техногенных субстратов / Э. И. Трещевская,

Е. Н. Тихонова // Лесоводство и лесные мелиорации: материалы научно-практической межвузовской конференции аспирантов, молодых ученых и специалистов, посвящается 85-летию высшего лесного образования в г. Новочеркасске и на юге России (17-19 мая 2005 г.) / НГМА. - Новочеркасск, 2005, с. 127-131.

37. Панков, Я. В. Опыт и перспективы облесения мело-мергельных субстратов в техногенных ландшафтах ЦЧР / Я. В. Панков, Э. И. Трещевская, И. Вик. Трещевский // Проблемы ускоренного воспроизводства и комплексного использования лесных ресурсов : материалы Международной научно-практической конференции, Воронеж, 23-25 октября, 2006 г. / ВГЛТА. - Воронеж, 2006. - С. 169-173.

38. Тихонова, Е. Н. Развитие почвообразовательного процесса на нарушенных землях ЦЧР / Е. Н. Тихонова, Э. И. Трещевская // Восстановление эколого-ресурсного потенциала агролесобиоценозов, лесоразведение и рациональное природопользование в Центральной лесостепи и на юге России : сборник научно-исследовательских работ по материалам школы-конференции / ВГЛТА. — Воронеж ; Сочи, 2007. - С. 197-199.

39. Одноралов, Г. А. Особенности химического состава лесной подстилки в дубняках южной лесостепи / Г. А. Одноралов, Е. Н. Тихонова, Э. И. Трещевская // Проблемы деградации дубрав и современные системы ведения лесного хозяйства в них : материалы научно-практического семинара, Воронеж, 28-30 марта 2007 г. / ВГЛТА. - Воронеж, 2007. - С. 207-211.

40. Трещевский, И. Вик. Почвоулучшающая роль лесных культур на отвалах Курской магнитной аномалии / И. В. Трещевский, Э. И. Трещевская, Е. Н. Тихонова // Материалы V съезда Всероссийского общества почвоведов им. В. В. Докучаева. - Ростов-на Дону, 2008. - С. 457.

41. Трещевская, Э. И. Повышение биоразнообразия защитных насаждений на рекультивируемых землях Курской магнитной аномалии / Э. И. Трещевская, И. Вик. Трещевский // Музей заповедник: экология и культура : сборник материалов Третьей Междун. научно-практ. конф. (Вешенская, сентябрь 2008 г.). - Вешен-ская: ФГУК «Гос. музей-зап. М.А. Шолохова», 2008. - С. 86-88.

42. Трещевский, И. Вик. Опыт и перспективы выращивания лесных культур на песчано-меловых смесях в техногенных ландшафтах Курской магнитной аномалии / И. Вик. Трещевский, Э. И. Трещевская // Лесные культуры и защитное лесоразведение в лесостепи : материалы межрегиональной конференции, посвященной памяти профессоров В. К. Попова, Р. И. Дерюжкина, И. В. Трещевского, В. Г. Шаталова, Воронеж, 10 ноября 2008 г. / ВГЛТА. - Воронеж, 2008. - С. 73-76.

43. Воронежской школе рекультиваторщиков - 40 лет / Э. И. Трещевская [и др.] // Современные проблемы оптимизации зональных и нарушенных земель : материалы международной научно-практической конференции, посвященной 40-летию Воронежской школы рекультиваторщиков, 21-24 октября 2009 г. / ВГЛТА. - Воронеж, 2009. - С. 89-95.

44. Трещевская, Э. И. Перспективы лесной рекультивации техногенных ландшафтов ЦЧР с использованием сосны обыкновенной / Э. И. Трещевская, С. В. Трещевская // Леса степной зоны европейской части России и ведение хозяйства в них : сборник статей, посвящ. 60-летию филиала ФГУ ВНИИЛМ Южно-Европейской НИЛОС. - Пушкино : ВНИИЛМ, 2009. - С. 140-144.

45. Трещевская, Э. И. Естественное возобновление в культурах на нарушенных землях Курской магнитной аномалии / Э. И. Трещевская, С. В. Трещеская, К. Г. Шамирян // Лес. Наука. Молодежь - 2009 : материалы по итогам научно-исслед. работ молодых ученых ВГЛТА за 2008-2009 гг. / ВГЛТА.- Воронеж, 2009. -Т. 1.-С. 115-118.

46. Трещевская, С. В. Видовое разнообразие древесных пород и кустарников при лесной рекультивации техногенных ландшафтов Курской магнитной аномалии / С. В. Трещевская, Э. И. Трещевская, К. В. Бобрешов // Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка : материалы Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, 10-11 ноября 2011 года / СПб ГЛТУ. - СПб., 2011. - С. 144-147.

47. Влияние климатических факторов на состояние и рост лесных насаждений в техногенных ландшафтах / Я. В. Панков [и др.] // Региональные эффекты глобальных изменений климата (причины, последствия, прогнозы) : материалы международной научной конференции (г. Воронеж, 26-27 июня 2012 г.). - Воронеж : Научная книга, 2012. - С. 522-524.

48. Трещевский, И. Вик. Повышение плодородия субстратов в промышленных отвалах Курской магнитной аномалии посадкой почвоулучшающих древесных пород и кустарников / И. Вик. Трещевский, Э. И. Трещевская, М. С. Неповинный // Разработка комплекса технологий рекультивации техногенно нарушенных земель : материалы международной молодежной конференции, Воронеж, 4-6 июля 2012 г. / науч. ред. М. В. Драпалок, В. И. Михин ; ФГБОУ ВПО "ВГЛТА". -Воронеж, 2012. - С. 235-238.

49. Трещевская, Э. И. Использование сосны обыкновенной для создания защитных насаждений на отвалах Курской магнитной аномалии / Э. И. Трещевская, К. В. Бобрешов, С. В. Трещевская // Разработка комплекса технологий рекультивации техногенно нарушенных земель : материалы международной молодежной конференции, Воронеж, 4-6 июля 2012 г. / науч. ред. М. В. Драпалюк, В.И. Михин ; ФГБОУ ВПО "ВГЛТА". - Воронеж, 2012. - С. 229-234.

50. Панков, Я. В. Особенности влагонакопления в отвальных землях Курской магнитной аномалии / Я. В. Панков, Э. И. Трещевская, И. Вик. Трещевский // Лесотехнический журнал. - 2012. - № 3 (7). - С. 54-59.

Подписано в печать 28.02.2013. Формат 60 х 90 1/16. Объем 75800 п. зн. Тираж 100 экз. Заказ 106 Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора сельскохозяйственных наук, Трещевская, Элла Игоревна, Воронеж

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

На правах рукописи

0520135^133

Трещевская Элла Игоревна

ФОРМИРОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ НА ТЕХНОГЕННО НАРУШЕННЫХ ЗЕМЛЯХ (на примере Курской магнитной аномалии)

Специальность: 06. 03. 03 - Агролесомелиорация, защитное лесоразведение и озеленение населенных пунктов, лесные пожары и борьба с ними

Диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Научный консультант, доктор с.-х. наук, профессор Панков Я.В.

Воронеж 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................... 7

1 РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ В РОССИИ ЗАРУБЕЖНЫХ СТРАНАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).................................. 13

1.1 Пригодность вскрышных пород к биологической рекультивации........................................................................... 13

1.2 Опыт лесной рекультивации в России и за рубежом............. 16

1.3 Способы повышения плодородия горных пород и технических смесей.................................................................... 24

1.4 Изменение свойств субстратов отвалов под влиянием растительности..................................................................... 28

2 ПРОГРАММА, ОБЪЕКТЫ, МЕТОДИКА И ОБЪЕМ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................................................. 39

2.1 Программа исследований................................................. 39

2.2 Объекты исследований.................................................... 40

2.3 Методика исследований................................................... 49

2.4 Объем исследований........................................................ 52

3 ИТОГИ ЛЕСНОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОТВАЛОВ БЕЗ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ СУБСТРАТОВ..................... 53

3.1 Характеристика вскрышных пород и технических смесей отвалов Курской магнитной аномалии.................................. 53

3.2 Результаты лесной рекультивации отвалов без повышения плодородия субстратов (на примере сосновых насаждений).............................................................................. 58

4 ПОВЫШЕНИЕ ПЛОДОРОДИЯ СУБСТРАТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТВАЛОВ ПУТЕМ ЗЕМЛЕВАНИЯ.......... 68

4.1 Экологические условия на гидроотвале Березовый лог при

разной мощности плодородного слоя.................................. 68

4.1.1 Состав и свойства субстратов гидроотвала.......................... 68

4.1.2 Орографические особенности и развитие эрозии на гидроотвале.............................................................................. 82

4.1.3 Особенности влагонакопления в субстратах гидроотвала...... 88

4.2 Лесная рекультивация гидроотвала Березовый лог.............. 103

4.2.1 Состояние и рост древесных пород на гидроотвале с насыпным плодородным слоем................................................. 104

4.2.2 Сезонный рост древесных пород на гидроотвале.................. 114

4.2.3 Биологическая продуктивность древесных пород и накопление химических элементов в насаждениях........................... 123

5 ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕХСЛОЙНЫХ СУБСТРАТОВ С ПОГРЕБЕННЫМ ПЛОДОРОДНЫМ СЛОЕМ......................... 148

5.1 Характеристика трехслойных субстратов и сосновых насаждений в зональных условиях............................................. 148

5.2 Опыт выращивания сосновых насаждений на трехслойных субстратах в условиях нарушенных земель......................... 156

6 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЧВОУЛУЧШАЮЩИХ ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ-НАСАЖДЕНИЙ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТВАЛАХ......... 169

6.1 Видовое разнообразие растительности в защитных лесных насаждениях, их особенности и динамика формирова- 169 ния..............................................................................

6.2 Изменение свойств субстратов под влиянием природных и искусственных фитоценозов............................................. 193

6.2.1 Влияние растительности на изменение гранулометрического состава субстратов.......................................................... 193

6.2.2 Влияние растительности на изменение агрохимических свойств субстратов......................................................... 198

7 ЛЕСОВОДСТВЕННАЯ И ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ФОРМИРОВАНИЯ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ НА ТЕХНОГЕННО НАРУШЕННЫХ ЗЕМ-

ЛЯХ.............................................................................. 222

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................. 232

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................. 237

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................. 279

Приложение 1. Гранулометрический состав субстратов в промышленных отвалах КМА............................................... 280

Приложение 2. Агрохимические свойства субстратов в промышленных отвалах КМА............................................... 281

Приложение 3. Агрохимические свойства зональных почв

ЦЧР.............................................................................. 283

Приложение 4. Гранулометрический состав зональных почв

ЦЧР.............................................................................. 287

Приложение 5. Статистики рядов распределения диаметра

сосны на промышленных отвалах КМА............................. 290

Приложение 6. Статистики рядов распределения диаметра

сосны обыкновенной на зональных почвах ЦЧР.................. 291

Приложение 7. Гранулометрический состав слоистых субстратов промышленных отвалов КМА............................... 293

Приложение 8. Агрохимические свойства слоистых субстратов промышленных отвалов КМА..................................... 294

Приложение 9. Полевая влажность двухслойных субстратов гидроотвала Березовый лог с травянистым покровом и без

него (мощность плодородного слоя - 30-50 см)..................... 296

Приложение 10. Полевая влажность субстратов при различной глубине залегания плодородного слоя........................... 298

Приложение 11. Полевая влажность песчано-меловой смеси с погребенным суглинком (трехслойных субстратов) и без него. 300 Приложение 12. Статистики рядов распределения высоты

сосны обыкновенной на трехслойных субстратах................. 301

Приложение 13. Статистики рядов распределения диаметра

сосны обыкновенной на трехслойных субстратах.................. 302

Приложение 14. Расчет мощности погребенного плодородного слоя в зависимости от содержания в нем гумуса................ 303

Приложение 15. Статистики рядов распределения диаметра древесных пород в возрасте 38 лет на отвале рыхлой вскрыши................................................................................ 304

Приложение 16. Встречаемость травянистых растений на отвале рыхлой вскрыши (возраст насаждений - 38 лет)............ 307

Приложение 17. Характеристика живого напочвенного покрова на песчано-меловой смеси отвала рыхлой вскрыши

(возраст древесных пород - 38 лет).................................... 310

Приложение 18. Гранулометрический состав грунтосмеси отвала рыхлой вскрыши под защитными насаждениями (возраст-38 лет).................................................................. 315

Приложение 19. Агрохимические свойства грунтосмеси отвала рыхлой вскрыши (возраст насаждения - 38 лет)............... 319

Приложение 20. Расчетно-технологическая карта № 1 на соз-

дание 1 га насаждения сосны обыкновенной 2-летними сеянцами с размещением посадочных мест 2,5 х 0,5 м на склонах отвалов крутизной до 8° с нанесенным на поверхность плодо-

родным слоем мощностью 1 м........................................... 323

Приложение 21. Расчетно-технологическая карта № 2 на создание 1 га насаждения сосны обыкновенной 2-летними сеянцами с размещением посадочных мест 2,5 х 0,5 м на трехслойных субстратах с погребенным плодородным слоем....... 325

Приложение 22. Расчетно-технологическая карта № 1 на создание 1 га насаждения робинии лжеакации на песчано-меловой смеси отвала рыхлой вскрыши 2-летними сеянцами с размещением посадочных мест 2,0 х 0,5 м......................... 327

Приложение 23. Расчетно-технологическая карта № 2 на соз-

дание 1 га насаждения облепихи крушиновой на песчано-меловой смеси отвала рыхлой вскрыши 2-3-летними корневыми отпрысками с размещением посадочных мест 10,0 х2,5 м (объем работ приводится с учетом дополнения в размере 25

%)................................................................................ 329

Приложение 24. Справка об использовании результатов исследований в производстве............................................... 331

Приложение 25. Справка об использовании результатов исследований в НИР.......................................................... 332

Приложение 26. Справка об использовании результатов исследований в учебном процессе......................................... 333

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В результате деятельности горнодобывающей промышленности, особенно при открытом способе добычи полезных ископаемых, разрушаются все биологические компоненты ландшафта, происходит коренная перестройка геологического фундамента, возникают техногенные комплексы, характеризующиеся экстремальными условиями для жизни всего живого.

Курская магнитная аномалия (КМА) - самый большой и богатый железорудный бассейн мира, площадь нарушенных земель которого составляет около 40 тыс. га. Искусственные геосистемы, сформированные вскрышными горными породами, характеризуются крайней неустойчивостью. Значительная часть этих территорий в течение многих десятилетий по различным причинам сохраняет облик техногенных пустышей. Оценка перспектив их восстановления является одной из актуальных проблем современности.

Экстремальные условия техногенных ландшафтов обусловливают длительный период самовосстановления фитоценозов. Одним из важнейших способов предотвращения вредного экологического воздействия горнорудного производства на природу, защиты отвалов от эрозии и дефляции является проведение биологической рекультивации, из которой на крутосклонных отвалах наиболее перспективной признана лесная [93, 234, 338].

Проблема состоит в том, что не все породы, складируемые в отвалы, являются пригодными для произрастания защитных насаждений. В бассейне КМА до 70 % объема вскрышных пород составляют пески и песчано-меловые смеси, характеризующиеся не- и малоблагоприятными для произрастания растений агрохимическими и водно-физическими свойствами.

Существуют разные способы повышения плодородия субстратов промышленных отвалов. Формирование защитных насаждений на основе многолетнего мониторинга за состоянием и ростом древесных пород, «создание почв» является

основой рекультивации нарушенных земель.

Работа является составной частью научных исследований кафедры лесных культур, селекции и лесомелиорации Воронежской государственной лесотехнической академии по программам «Черноземье», «Программа КМА», Федеральной целевой программе «Интеграция науки и высшего лесотехнического образования. Инновационная деятельность на предприятиях лесного комплекса» (№ госрегистрации 01.2.00103888), а также хоздоговорным темам с Лебединским и Стойлен-ским горно-обогатительными комбинатами (ГОК) КМА.

Цель исследований - изучение особенностей формирования защитных лесных насаждений на техногенно нарушенных землях Курской магнитной аномалии, обеспечивающих их дальнейшее использование.

Задачи исследований заключались в следующем:

- изучить свойства вскрышных пород и технических смесей отвалов Курской магнитной аномалии и выявить динамику формирования и роста защитных насаждений на различных субстратах без повышения их плодородия (на примере сосны обыкновенной);

- оценить достоинства и недостатки повышения плодородия субстратов промышленных отвалов путем землевания на основе изучения состава и свойств субстратов гидроотвала, орографических особенностей и влагонакопления в них;

- изучить динамику состояния и роста, в том числе и сезонного, древесных пород на гидроотвале после землевания и определить биологическую продуктивность защитных насаждений;

- дать оценку трехслойным субстратам с погребенным плодородным слоем и изучить динамику состояния и роста на них сосновых насаждений;

- изучить видовое разнообразие растительности в защитных лесных насаждениях, их особенности и динамику формирования;

- определить влияние растительности в природных и искусственных фито-ценозах на трансформацию техногенных субстратов в эмбриоземы;

- произвести лесоводственную и эколого-экономическую оценку защитных лесных насаждений на техногенно нарушенных землях;

- разработать рекомендации по формированию защитных лесных насаждений на техногенно нарушенных землях.

Научная новизна. Для техногенных ландшафтов изучены различные способы повышения плодородия субстратов промышленных отвалов и обоснованы наиболее перспективные и рациональные из них для формирования защитных лесных насаждений с введением устойчивых к экстремальным условиям среды древесных пород. Впервые с целью ускорения восстановления нарушенных земель, с учетом специфики почвенно-экологических условий предложена двух-этапная система рекультивации с использованием робинии лжеакации как породы, обладающей высокой степенью почвоулучшающих свойств, для создания предварительных защитных лесных насаждений с последующим внедрением более ценных пород, в том числе хвойных.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость результатов исследований заключается в том, что выявлены особенности роста, состояния и продуктивности защитных насаждений на техногенно нарушенных землях в зависимости от структуры и плодородия субстратов промышленных отвалов. Выявленные особенности позволяют оптимизировать процесс формирования рекультивационных насаждений с целью повышения их устойчивости, долговечности, продуктивности и стабилизации выполняемых ими защитных функций.

Практическое значение результатов исследований выражается в возврате техногенно нарушенных земель в хозяйственный оборот путем их биологической рекультивации на научной основе и создания новой устойчиво продуцирующей лесной экологической системы. Результаты исследований используются природоохранными организациями при проектировании работ по биологической рекультивации техногенных ландшафтов, научными организациями - для разработки и осуществления почвенно-экологического мониторинга, а также применяются в учебном процессе при чтении курса «Рекультивация ландшафтов» для студентов, обучающихся по специальности 25.02.03 - «Садово-парковое и ландшафтное строительство» и по направлениям подготовки бакалавров 250100 - «Лесное дело» и 022000 - «Экология и природопользование».

Рекомендации по формированию защитных лесных насаждений, разработанные с участием автора, внедрены в производство Лебединским и Стойленским горно-обогатительными комбинатами в 2010-2012 гг., а также используются ОАО НИИ по проблемам Курской магнитной аномалии им Л.Д. Шевякова при проведении научно-исследовательских работ по рекультивации (акты о внедрении прилагаются).

Методология и методы исследований. Методология исследований базируется на системном подходе к их проведению. Использовались типовые методики, применяемые в почвоведении, лесовосстановлении, таксации и лесоводстве.

На защиту выносятся следующие положения:

- итоги создания и выращивания лесных насаждений сосны обыкновенной эколого-ресурсного назначения на субстратах промышленных отвалов без повышения их плодородия;

- оценка землевания как способа повышения плодородия субстратов промышленных отвалов для проведения лесной рекультивации;

- эффективность использования древесных пород для выращивания защитных насаждений на техногенных субстратах с поверхностным землеванием;

- повышение плодородия бедных грунтосмесей путем формирования трехслойных субстратов с погребенным плодородным слоем;

- влияние видового разнообразия растений на скорость формирования естественного растительного покрова и почвообразовательный процесс при рекультивации техногенных ландшафтов;

- параметры трансформации субстратов в почвы (эмбриоземы) в природных и искусственных фитоценозах;

- лесоводственная и эколого-экономическая эффективность двухэтапной системы формирования защитных лесных насаждений, обеспечивающей восстановление техногенно нарушенных земель.

Достоверность полученных результатов обеспечивается многолетним мониторингом, значительным объемом аналитического и экспериментального материала, применением современных методик, математической обработкой данных

и

с использованием компьютерных программ для решения поставленных задач.

Личный вклад. Автор по данной проблеме проводит исследования с 1980 г. (более 30 лет). Были разработаны программа и методика исследований, проведены экспериментальные работы на объектах, осуществлена обработка полевого материала, сделаны выводы, на основе которых даны рекомендации производству по формированию защитных насаждений на нарушенных землях.

Апробация работы. Основные положения работы были представлены на ежегодных научных конференциях в ВГЛТА (1981-2012); I Всесоюзной научной конференции (Днепропетровск, 1990); НПК «Экологические особенности природопользования в бассейне Дона (Воронеж, 1991); II Всесоюзной НТК «Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов (Москва, 1991); I Республиканской НПК «Эколого-экономические аспекты организации национальных, природных и ландшафтных парков» (Екатеринбург, 1992); юбилейной конференции, посвященной 100-летию «Особой экспедиции В.В. Докучаева в Каменной Степи» (Воронеж, 1992); Международной НПК «Проблемы рекультивации нарушенных земель и повышения их продуктивности» (Днепропетровск, 1992); Международной конфере