Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Оптимизация ландшафтов и лесовозобновительных процессов в условиях открытых разработок песчано-гравийных месторождений на лесных землях Удмуртского Прикамья

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация ландшафтов и лесовозобновительных процессов в условиях открытых разработок песчано-гравийных месторождений на лесных землях Удмуртского Прикамья"

Халилова Светлана Рашитовна

Оптимизация ландшафтов и лесовозобновительных процессов в условиях открытых разработок песчано-гравийных месторождений на лесных землях Удмуртского Прикамья

06.03.02 - Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

005010721

2 0ЕЗ 2012

Ижевск - 2012

005010721

Работа выполнена на кафедре лесоводства и лесных культур ФГБОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Касимов Апдулбар Касимович

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Менщиков Сергей Леонидович кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

Кряжевских Надежда Аркадьевна

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Защита диссертации состоится 21.02.2012 г. на заседании Диссертационного совета Д 212.281.01 при Уральском лесотехническом университете по адресу: 620100, Россия, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 36, УЛК-2, ауд. 320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного лесотехнического университета.

Автореферат разослан 20.01.2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета, /'

кандидат сельскохозяйственных наук ~~ A.B. Бачурина

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. В Удмуртском Прикамье, как и в других регионах страны, значительны площади нарушенных и не рекультивированных лесных земель, в том числе при карьерной разработке месторождений песчано-гравийных смесей (ПГС). Наблюдаемое при добыче ПГС коренное перепрофилирование площадей горного отвода в долинноречной зоне Камы — важнейшей водной артерии таёжного Предуралья и Европейской части России, и изменение форм рельефа - это следствие техногенного воздействия мобильных средств, открытого способа извлечения песка и гравия из почвенной толщи.

Лесные насаждения в водоохранной зоне, создаваемые в ходе рекультивационных работ, противодействуют эрозионным процессам, выполняют берегоукрепляющие и руслостабилизирующие функции, поддерживают полноводность рек, регулируют сток и гидрологический режим (Орлов, 1983; Вильямс, 1946; Коляда, 1991; Рубцов, 1981, 1983). Очевидна в связи с этим актуальность темы диссертации для поиска путей возможного решения существующей проблемы.

Цель исследования заключалась в изучении особенностей восстановления лесной растительности на нарушенных землях при открытой добыче ПГС, оценке их способности к естественному зарастанию и необходимости активных мер оптимизационного плана по ускорению демутационных процессов в условиях функционирования минерально-сырьевой базы строительного комплекса Удмуртской Республики.

Научная новизна. В условиях освоения открытым (карьерным) способом нерудных минерально-сырьевых месторождений Удмуртского Прикамья впервые наиболее полно в региональном аспекте проведено морфоэдафическое и фитоценотическое изучение техногенных ландшафтов на отработанных полигонах средне- и верхнечетвертичных террас и голоценных отложений Камской долины.

Практическая значимость результатов научного поиска решений по существующей проблеме заключается в возможности регионального использования выводов и рекомендаций. В них излагаются конкретные подходы для выполнения рекультивационных работ в сопоставимых экологических условиях.

Приведена биометрическая характеристика основных пород-лесообразователей в молодняках искусственного происхождения и на участках естественного зарастания, предложены варианты активного стимулирования роста и развития посадок лесных культур способами землевания, внесения удобрений, агротехнических и лесоводственных уходов.

Личный вклад. Автором с учетом рекомендаций руководителя намечена программа, сформулированы цель и задачи исследований, выбраны методические подходы к их решению. Лично определены объекты, осуществлен сбор экспериментального материала, проведен анализ полученных данных, сделаны научные выводы, разработаны рекомендации.

Апробация работы осуществлялась в порядке докладов и сообщений на региональной научно-практической конференции «Устойчивому развитию АПК

з

- научное обеспечение» (Ижевск, 2004); всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы аграрной науки и пути их решения» (Ижевск, 2005); всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Молодые ученые XXI века» (Ижевск, 2005); всероссийской научной конференции «Современные проблемы почвоведения и экологии» (Йошкар-Ола, 2006); научных трудах национального парка «Нечкинский» (п. Новый УР, 2006); всероссийской научно-практической конференции «Национальные парки: результаты работы и перспективы развития», посвященной 10-летию Национального парка «Нечкинский» (п. Новый УР, 2008) всероссийской научно-практической конференции «Изучение растительных ресурсов Волжско-Камского края» (Чебоксары, 2008); научно -практическом журнале «Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии» (Ижевск, 2008); всероссийской научнопрактической конференции «Научное обеспечение инновационного развития АПК», посвященной 90-летию государственности Удмуртии (Ижевск, 2010); научно-практическом журнале «Вестник КрасГАУ» (Красноярск, 2007); теоретическом и научно-практическом журнале «Земледелие» (Москва, 2008); известиях Самарского НЦ РАН (Самара, 2010).

Публикации. Материалы научных исследований опубликованы в 12 печатных работах, в том числе в трех изданиях, рекомендованных ВАК.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Почвенно-экологические факторы, определяющие лесопригодность эдафотопов в условиях открытых разработок долинно-речных месторождений ПГС.

2. Морфометрия микро- и мезорельефа различных форм отвалообразований, как объектов оптимизации на техническом этапе рекультивации.

3. Видовая специфика и разнообразие растительных сообществ посггехногенных лесных земель.

4. Причинно-следственные связи мозаичности почвогрунтов и лесовозобновления на нарушенных землях.

5. Землевание лесопосадочных мест, как активный фактор стартового стимулирования ростовых и восстановительных процессов на биологическом этапе рекультивации.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и рекомендаций, списка литературы из 194 источников. Работа содержит 18 таблиц, 18 рисунков, 9 приложений, текст изложен на 154 страницах.

Глава 1. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ

Программа исследований. Необходимо было изучение основных факторов, определяющих эффективность восстановления растительного покрова в связи с агрохимическими свойствами, экологией и топографией нарушенных земель; проведение эколого-фитоценологического анализа и оценки естественно-восстановительного потенциала посттехногенных лесных территорий; уточнение параметров условий возобновления, формирования и

4

роста молодняков в возрастной период от индивидуального роста до перевода их в лесопокрьпую площадь и далее в фазе формирования древостоя.

В соответствии с поставленной целью программа исследовательских и опытно-экспериментальных работ предусматривала:

• характеристику природных условий и климата региона, естественной растительности на землях лесного фонда, а также в условиях нарушенных и восстанавливаемых площадей;

• изучение агрохимических и лесорастительных свойств почв и почвогрунтов, формирующихся на рекультивируемых участках;

• изучение видового состава растительных сообществ и закономерностей их формирования в различных эДафотопах;

• изучение состояния лесных культур, их приживаемости и роста, в связи со способами создания и экологической средой ;

• изучение состава, обилия и особенностей размещения живого напочвеного покрова и лиственного возобновления в лесных культурах;

• оценка влияния внесения минеральных удобрений на рост и развитие культур;

• на основании проведенных исследований и анализа литературных источников разработка системы мероприятий по повышению эффективности лесной рекультивации и ускорению восстановительных процессов на нарушенных землях.

Были проведены следующие исследования опытно-экспериментального характера:

• опыты по землеванию лесопосадочных мест для стартового стимулирования возобновительного и ростового потенциала культур;

• опыты по изучению влияния минеральных удобрений на производительность насаждений;

• опытные посевы бобовых и их влияние на восстановительные процессы растительного покрова.

Основные положения методики. Была изучена и дана характеристика природно-климатических и лесорастительных условий района исследований на основе имеющихся литературных данных по Удмуртской Республике (УР). В подготовительный период камеральным путем группировались участки близкие по . возрасту, породному составу, наличию вариантов рекультивации, землевания, удобрений и т.п. Наряду с этим было проведено ознакомление с техническими проектами и геологическими отчетами, собрана необходимая информация о месторождениях ПГС, площадях земельных отводов. Ключевым объектом было выбрано МПГС «Волковское» в Боткинском районе УР.

Производилось описание растительного покрова путем закладки 15 постоянных пробных площадей (ППП) на участках, различающихся по почвенно-грунтовым условиям и породному составу насаждений. Данные перечетов по ступеням высот и диаметров служили основой при отборе модельных деревьев для определения годичных приростов. Из показателей надземной, части измерялись общая высота и диаметр модели, приросты в высоту средний за весь период жизни и текущий по пятилетиям.

Характеристика растительности осуществлялась по шкале обилия Друде и

проективного покрытия Браун-Бланке (Миркин, 1983) на учетных площадках 1x1 м. Виды растений устанавливались по определителям (Алексеев, 1988; Новиков, 2002). На основании полученных данных составлен список флоры, который отражает обилие и видовое разнообразие травянистых растений на территориях района исследований.

Описание строения профиля почвенных разрезов и взятие образцов из генетических горизонтов, лабораторный анализ почвы выполняли по общепринятым методикам и руководствам (Агрохимические..., 1975; Аринушкина, 1972).

В лабораторно-камеральный период исходные данные по объектам исследования с характеристикой первоначальной агротехники создания культур ретроспективно восстанавливались по материалам лесоустройства прошлых лет и по технической документации лесничеств; анализировались почвенные (почвенногрунтовые) образцы; систематизировались данные полевых изменений и т.д.

Топографической основой были приняты геоданные планов лесничеств (1: 20 ООО) и планшетов (1:10 ООО) по материалам лесоустройства 1986 и 1996 годов. Анализировалась информация из таксационных описаний и книг учета лесных культур. Была прослежена динамика исходных лесопокрытых (целиковых), а в последующем отработанных нарушенных и рекультивированных (восстановленных) лесных земель. Данные полевого материала обработаны по программе statistika - 2007 (Доспехов, 1979; Свалов, 1996; Соколов, 1990).

Объем выполненных НИР. В соответствии с целью и программой работ исследования проводились в период 2003-2010 гг. по материалам, полученным в полевых экспериментах и изысканиях, по данным лесоустроительных работ, геологических отчетов, из архивных фондов лесничеств, а также путем обобщения литературных данных по изучаемой проблеме. Полевые исследования проводились в Боткинском лесничестве Удмуртской Республики. Оценка биопотенциала наиболее информативных участков техногенных ландшафтов натурным обследованием проведена на площади 570 га МПГС «Волковское». Проведено маршрутное обследование лесных культур и сопутствующего возобновления на площади 186 га с закладкой 15 ППП и 87 временных учетных площадок.

Описание морфологического строения, структуры и водно-физических свойств лесопосадочных мест, и в связи с этим состава, обилия и степени мозаичности размещения живого напочвенного покрова в различных вариантах технологии рекультивационных работ проводилось на 15 опытных участках. Было заложено 56 разрезов, взято 115 почвенных образцов. Кроме того, осуществлялась оценка естественного возобновления и выявление закономерностей формирования древесной и кустарниковой растительности. На площадях лесной рекультивации, имеющими разные формы отвалообразований обработано 160 модельных деревьев.

Изучались искусственные методы лесовыращивания путем посадки сосны, ели, лиственницы на участках с землеванием и без него (30 площадок). Проводились опыты по применению минеральных и органических удобрений на микроделяночных участках (6 площадок). На тех же площадях

экспериментировалось заращивание посевом красного клевера (3 опытных участка) и его влияние как азотфиксатора на улучшение состояния лесных культур сосны. При этом анализировались для сравнения исследования культур на вырубках (2 ППП).

Глава 2. ФИЗИКО - ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ И ЛЕСОРАСТИТЕЛЬНЫЕ

УСЛОВИЯ В РАЙОНЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНОЙ СМЕСИ (МПГС) УДМУРТСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

Географическое положение. Удмуртская Республика находится в пределах 51° 10 - 54° 25 с.ш. и 55° 50 - 58° 30 в.д., между реками Вятка и Кама, в восточной части Русской равнины, постепенно переходящей в Западное Предуралье, занимает площадь 42 тыс. км2, на севере и западе граничит с Кировской областью, на востоке - с Пермским краем, на юге - с Республиками Башкортостан и Татарстан.

Климат региона относится к переходному от бореального (южная тайга -север и центр республики) к суббореальному (смешанные леса с преобладанием хвойных - на юге), имеет умеренно континентальный характер с продолжительной холодной и многоснежной зимой, теплым коротким летом и хорошо выраженными переходными сезонами: весной и осенью. Средняя годовая температура воздуха на территории УР положительная и варьирует с севера на юг в пределах 1,2 - 2,3 °С. Период с положительной средне-суточной температурой удерживается 190-200 дней.

Воды. В гидрологическом отношении Удмуртская Республика представлена речной сетью, включающей 8925 рек, речек и ручьев, а также более 1300 прудов и водохранилищ. Весь речной сток относится к Камскому бассейну.

Почвы. Дерново-подзолистые почвы разной степени оподзоленности и гранулометрического состава получили преимущественное развитие на 80 % территории республики, а в её отдельных (северных и северо-западных) районах - до 90 % всей площади. Сильно- и среднеподзолистые почвы занимают около 75% всех земель республики , широко распространены повсюду, за исключением юго-восточных районов; сравнительно меньше их на востоке. Слабоподзолистые почвы, занимая около 5 % площади, по территории распределены неравномерно: чаще и крупными массивами встречаются на юге, юго-востоке и востоке. По гранулометрическому составу почвы представлены легкими и средними суглинками, а также супесями и песками.

Лесная растительность. Согласно лесорастительному районированию (Курнаев, 1973) северная и центральная части Удмуртии расположены в таежной зоне — в подзоне южной тайги, а южная - в северной подзоне зоны смешанных лесов с преобладанием хвойных. Лесистость территории республики 46,4 %. Средний породный состав лесного фонда республики по площади соответствует формуле 40Е17С2П31Б50с4ЛпЮл.

Глава 3. ЭКОЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКИ МПГС И ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ

При обустройстве месторождений ПГС на таких лесопокрытых площадях как «Волковское», вскрышным работам предшествуют подготовительные - по рубке леса и очистке участков (блоков) от порубочных остатков, пней, корневищ, кустарников и т.п.

На этапе вскрышных работ верхний слой (глубиной до 0,2...0,5 м) почвенной толщи по способу «сухой» вскрыши срезается кавальероразравнивателем (МК-21) и селективно складируется в бурты во временный (на период вскрыши) отвал с разделением почвогрунта на плодородный растительный слой и потенциально-плодородный слой. Из буртов снятый при сухой вскрыше плодородный слой может использоваться в дальнейшем для рекультивирования нарушенных земель, улучшения малоплодородных угодий и т.д

В том случае, когда мощность вскрыши (глубина) превышает 0,5 м, ее разработка ведется экскаватором, с отсыпкой почвогрунта непосредственно в целик на сопредельную поверхность. При такой глубокой вскрыше нередко наблюдается выход грунтовых вод и тогда экскавация грунта производится черпанием («мокрая» вскрыша).

В зависимости от способов вскрышных и добычных работ на полигонах МПГС «Волковское» формируются осадконакопления (отвалы) трёх типов: отвально-насыпные, отвально-намывные и намывные.

Отвально - насыпной тип осадконакопления образуется при вскрышных работах по «сухому»и (или) «мокрому» способу в виде временных и долговременных (бурты) отвалов. В процессе отсыпки и перемещения почвогрунта образуются конусо- и хребтообразные отвальные формы, прослеживаются зональные признаки их гранулометрического состава и структуры.

Намывной тип техногенных осадков преобладает при гидравлическом способе вскрышных работ в надгравийном горизонте. В отличие от первого при данном типе отложений прослеживаются два слоя осадков: нижний - песчаноглинистый слой, формируемый путем намыва песков и глин зачищаемой кровли в подводных условиях, и верхний - гравийный с окатышами глин, редко-галечника, надгравийного (добычного) горизонта. Поверхность образующегося рельефа относительно ровная и планировка не требуется.

Отвально - намывной тип осадков образуется на этапе добычных работ при гидромеханизированном способе промывки и гидронамыве обогащенного песка и калиброванного по фракциям крупности гравия на гравийно-сортировочных установках (ГСУ). После отгрузки товарной продукции, места штабелевки песка и гравия требуется разравнивать.

Следует вместе с тем отметить, что по завершении добычи ПГС, на этих площадях потребуется длительное время для выполнения большого объема работ по переваловке остающихся масс почвогрунта. Необходимо выполаживание откосов до приемлемых уклонов, чтобы вписать техногенный рельеф в целиковый на техническом этапе рекультивации. Цель последнего в том, чтобы устранить многообразие форм отвалообразований и неровностей

путем их планировки и приведение в состояние, пригодное для механизации лесорекультивационных работ на следующем этапе — биологическом.

Глава 4. ПОЧВЕННЫЕ УСЛОВИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ И ПРИГОДНОСТЬ ОТРАБОТАННЫХ ПОЧВОГРУНТОВ ДЛЯ ЛЕСОВОССТАНОВЛЕНИЯ

Согласно геологическим изысканиям на месторождении с разведочным бурением на глубину 25,0 м в строении профиля участвуют глины, песчаники и известняки татарского яруса верхней перми с аллювиальными отложениями первой надпойменной террасы. Все неологические слои практически повсеместно перекрыты почвенно-растительным плодородным слоем мощностью до 0,2...0,5 м. '

Мощность, толщи полезного ископаемого в пределах балансовых запасов в среднем 7,4 м с изменением от 2,6 до 16,7 м. Средний выход гравия 37,07 % при значительном варьировании по пробам (от 5,79 до 77,88 %) и по выработкам (от 13,26 до 73,77 %). Мощность вскрышных пород (включая почвенные и торфяные отложения, надгравийные пески и глины) в среднем составляет 7,93 м, изменяясь в блоках подсчета запасов от 4,74 до 10,51 м. При этом вскрышной горизонт складывается из почвенно - растительного слоя и торфов (0,76 м), песков (5,68) и надгравийных глин (1,49 м)

Начальные признаки формирования почвенного профиля прослежены были на старых отвалах, где вскрыша выполнялась кавальероразравнителем или бульдозером. В процессе вскрышных работ верхние почвенные слои оказывались под толщей грунта до 1,5-2,0 м, а на поверхность выносились материнские породы первой надпойменной террасы различного гранулометрического состава. Такие отвалообразования потенциально малопригодны для биологической рекультивации. В то же время при проведении технической разваловки бывшие погребенными почвеннорастительный слой и торф окажутся на дневной поверхности, с успехом могут применяться для землевания - посадочных мест лесокультурных площадей. Подтверждается это показателями агрохимического анализа. Согласно этим данным содержание гумуса варьирует в широком диапазоне (0,52...4,14 %), свидетельствуя о значительной неоднородности почвогрунта; почвенный раствор - от очень кислого (pH 3,1) до слабокислого, почти нейтрального (pH

5.0...5.7); сумма обменных оснований - в пределах 8,02...18,11 мг-экв/100 г, гидролитическая кислотность - от 0,79 до 9,11 мг/ЮО г; от низкого (3,81 мг/100 г) до очень высокого (68,23 мг/100 г) было содержание Р205; в равной степени оценивалось К20 (от 9,79 до 34,03 мг/100 г).

Намываемые из добычного горизонта пески и гравий штабелюются с разделением на фракции 3,0...20,0 мм и 21,0...40,0 мм по безэстакадной схеме. Песчано - гравийная смесь, транспортируемая в виде пульпы по пульпопроводу на двухярусный колосниковый грохот, калибруется на фракции песка и гравия, и обособленно поступает на карты намыва- площадки складирования и обезвоживания добываемого сырья. Вокруг площадок устраиваются земляные обвалования в виде дамб, ограничивающих площади намыва и контур отвалообразований.

Отвально - насыпное осадконакопление, в виду качественного отличия почвогрунтов бульдозерных (кавальероразравнивателей) отвалов, более предпочтительно для биологической рекультивации, чем отвально - намывное земснарядами. Подчеркивается, что в первом случае не происходит столь интенсивного вымывания и «...транзитного выноса водным потоком мелкоземлистых фракций...», как это имеет место во втором.

По принятой технологии освоения месторождений открытым (карьерным) способом большая доля работ связана с переотложением почвогрунта, в том числе и при сооружении обвалований, дамб и плотин. Нередко в их теле можно обнаружить в значительной мере либо сохранившиеся или уже деформированные массы зональных почвенных слоев (профиля). Эти земляные глыбы попадая в активный почвообразовательный процесс в теле обвалований претерпевают структурные изменения. Вступая в неофазу развития они проявляются фрагментарными зачатками генетических горизонтов.

В условиях открытых (карьерных) разработок также широко распространены западинные формы рельефа. Это типичные элементы неровностей на отработанных участках/блоках месторождения. Почвогрунты западин в условиях расчлененного рельефа проявляются наличием тонкодисперсных частиц, привнесенных технологическими водами, намытых при обогащении ПГС, выносимых со склоновых участков и т.д.

Таким образом, характеризуя лесорастительный потенциал техногенных отвалообразований можно отметить, что они в большинстве своем обедненные по основному диагностическому признаку плодородия почв - гумусу. В зависимости от форм рельефа, его параметров, характера отсыпки, намыва, перемещения и перемешивания пород гумусированность находится в значительном диапазоне, от 0,41 до 1,09 % - западинных, от 0,77 до 3,41 % -земляных обвалований. Из подвижных форм содержание Р2О5 было в пределах (мг/100 г) от 2,91 до 36,12, а по К20 - от 3,01 до 19,50 - в условиях западин; соответственно по тем же соединениям от «следов» до 15, 26 - в западинах и от 3,15 до 30,01 - на земляных обвалованиях.

Согласно ГОСТ 17.5.1.03-86 и ГОСТ 17.4.2.02-83 лишь малая часть из всех обследованных нами почвогрунтов на МПГС «Волковское» может быть отнесена к плодородным и потенциально-плодородным (4-10 %). Очевидно, что они будут пригодны для биологической рекультивации нарушенных лесных земель в исследованном районе. В то же время малопригодны по своим физическим свойствам до 90 % почвогрунтов, в том числе совсем непригодны до 10 % - из-за повышенной их каменистости на гравийных отложениях.

Почвогрунты вскрышных отвалов до 2/3 являются потенциальноплодородными. Земляные дамбы, перемычки, отвалы бульдозерной подготовки имеют потенциально-плодородные, реже - плодородные почвогрунты. Чем старше земляные обвалования, тем они по физическим характеристикам более предпочтительны; при наличии в структуре отвалов торфяных масс, длительном выветривании они могут восстанавливаться до показателей, позволяющих отнести почвогрунты к гумусированным.

Глава 5. ЕСТЕСТВЕННОЕ ВОЗОБНОВЛЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНОСТИ И ФОРМИРОВАНИЕ ЖИВОГО НАПОЧВЕННОГО ПОКРОВА

Изучение процессов естественного зарастания нарушенных земель имеет важное значение для оценки их самовосстановительного потенциала.

Как правило, максимально приближены к стене леса вскрышные отвалы. Они являются первоочередными объектами самозарастания и естественного самовозобновления растительного покрова, поэтому их изучение представляет большой интерес. Проекция живого напочвенннго покрова здесь достигает 50...90 %. Представлены виды, характерные для лесной

растительности, такие как вейник наземный (Calamagrostis epigeios L.), иван-чай узколистный (Chamaenerion angustifolium (L.) Holub), клевер красный (Trifolium pratense L.), толокнянка обыкновенная (Arctostaphylos uva-ursi L.), щавелёк малый (Rumex acetosella L.), тысячелистник обыкновенный (Achilea millefolium L.), земляника лесная (Fragaria vesca L.). Встречаются единично нивянник обыкновенный (Leucanthemum vulgare Lam.), лапчатка серебристая (Potentilla argentea L.), льнянка обыкновенная (Linaria vulgaris Mill.), марьянник луговой (Melampyrum pratense L.), пижма обыкновенная (Tanacetum vulgare L.), кульбаба осенняя (Leontodon autumnalis L.), мелколепестник острый (Erigeron acris L.), очанка коротковолосистая (Euphrasia brevipila Вит.), полынь горькая (Artemisia absinthium L.) и обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), пастушья сумка {Capselia bursa-pastoris L.), горец почечуйный (Polygonum persicaria L.).

Намывные отвалы отличаются затяжным характером самозарастания, видовой обедненостью, редкой встречаемостью, пониженной жизненностью и малым обилием растений. Для таких участков характерно мозаичное возобновление травяного покрова,' проективное покрытие около 5...40 %. Жизненность видов низкая, они единичны, состояние их угнетенное. Из травянистых растений встречаются келерия сизая (Koeleria glauca (Spreng.) DC), полынь полевая (Artemisia campestris L.); редко: ослинник

красностебельный (Oenothera rubricaulis Klebahn.), клевер пашенный (Trifolium arvense L.), астрагал песчаный (Astragalus arenarius L.), донник белый (Melilotus albus Medik), синяк обыкновенный (Echium vulgare L.), вейник наземный (Calamagrostis epigeios L.).

На вершинах свежесооруженных перемычек, наряду с пионерными представителями семейства злаковых (Роасеае) поселяются и бобовые (Fabaceae): клевер ползучий (Trifolium repens L.), горошек заборный (Vicia sepium L.), чина луговая (Láthyrus praténsis L.). Мать-и-мачеха по общему проективному покрытию достигает на склонах дамб до 63 % их площади, в то время как в верхней части - не более 15-20 %. Живой напочвенный покров склоновых элементов земляных плотин в большинстве случаев в этот возрастной период проходит бурьянистую стадию и в основе своей состоит из пижмы обыкновенной (Tanacétum vulgäre L.), иван-чая узколистного (Chamerion angustifolium L.) и других высоких трав. На старых обвалованиях эта стадия достигает в своем развитии формирования бурьянного ценоза большой продуктивности и проективного обилия.

Говоря о закономерностях самозарастания запад и ни ых форм рельефа, выведенных из технологического цикла и осушенных, можно отметить

следующую характерную особенность. Чем "продолжительнее западины находятся в роли оборотных водоемов под технологическими водами промывки песков и гравия, тем больше их заиление. По мере выхода из-под воды днища зарастают влаголюбивыми видами - камышами, рогозом, осоками и др.

Исследованиями отмечается, что на микро- и мезозападинных с увлажнением формах рельефа обычны осоки, ситники, камыши и т.п. Внедряются постепенно также щучка, полевица и др. В условиях западин однако не прослеживается мозаичность, присущая ЖНП вскрышных отвалообразований.

1. Глава 6. СОСТОЯНИЕ ЛЕСОВОССТАНОВЛЕНИЯ И РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ЛЕСНЫХ ЗЕМЕЛЬ, НАРУШЕННЫХ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МПГС

Учитывая, что горные отводы под добычу ПГС проводились на покрытых лесом площадях лесного фонда, вполне обоснованной является необходимость возврата их основному землепользователю после рекультивации мерами лесоводственного направления. Первоочередной задачей при такой постановке вопроса становится выявление степени самозарастания нарушенных земель. С изучением этого вопроса были связаны многие работы (Моторина и др., 1985; Данилик и др., 1991; Дерябин, 1979; Дружинин, 1991; Залесов и др., 1990; Зубарева и др., 1978; Исаева, 1967, 1969, 1976; Исаева и др, 1972, 1975; Казимиров, 1978; Касимов, 1980, 1981, 1996; Колесников и др., 1969, 1975; Корепанов, 1990; Луганский, 1974, 1991, 1996; Мамаев и др., 1989; Махнев, 1982; Прокопьев, 1974, 1984, 1989, 1991; Разин, 1989; Терехов, 1989; Фильрозе, 1991; Чиндяев, 1987).

Естественное лесовосстановление на исследованных площадях наблюдалось на вскрышных и намывных отвалах, по берегам образующихся водоемов и днищам высохших западин (табл. 1). '

Таблица ' 1. Характеристика естественного возобновления на различных участках____________________________________________________________________

Участки самозарастания Всех пород Количество растений на 1 га, шт./% в том числе -

хвойных листвен ных из них

березы тополя облепи хи ивы

Вскрышные отвалы 8204 6580 1624 1039 390 - 195

100 80 20 64 24 12

Намывные отвалы 370 12 358 - 21 143 182

100 3,2 96,8 6 40 50,8

Земляные 6787 373 6414 1026 257 2117 3014

обвалования 100 5,5 94,5 16 4 ' 33 47

Западинные 8112 111 6993 1958 1049 1538 2448

рельефообразования 100 13,8 86,2 28 15 22 35

Вскрышные отвалы, образованные при снятии верхнего плодородного слоя почвы, при подготовке площадей к добыче ПГС, успешно зарастают лиственными и хвойными породами. Но впоследствии, при использовании почвогрунтов, находящихся на временном хранении в буртах для землевания, подрост уничтожается. Хвойный самосев на таких отвалах начинает появляться практически одновременно с пионерными лиственными породами

- березой, осиной, ивой и кустарниками. Под их пологом к пятилетию численность хвойных на отвалах вскрыши достигала 6,58 тыс/га. Количество лиственного возобновления насчитывалось до 1,62 тыс/га.

Для намывных отвалов, образующихся при промывании ПГС, характерна более значительная обедненность почвенного субстрата, вызванная выносом на поверхность пород с глубины. Первое пятилетие возобновление на них малочисленно, единично - березой, ивой. Хвойные отсутствуют даже в последующие 5 лет (6... 10), доля самосева сосны (3,2 %) была незначительна. Отмечается доминирование в возобновительном процессе (50,8 %) ивы и облепихи (40 %) при малом участии берёзы и тополя.

Земляные обвалования преимущественно с отсыпкой в них глинистых пород успешно самозарастают, на них формируется более богатый видовой состав лесоценозов. Земляные перемычки по береговой линии водоемов и прудов оборотного водоснабжения достаточно быстро заселяются. К концу первого пятилетия в составе уже появляются береза, ивы, осина, а из кустарников - малина, облепиха, ракитник. В период 6... 10 лет к этим видам иногда добавляется из хвойных - сосна.

Западинные рельефообразования (пруды оборотного водоснабжения, межотвальные западины и техногенные озера, старицы, отстойники) по условиям самозарастания во многом зависят от длительности их пребывания в безводном состоянии, характера и последовательности высыхания днищ, от состава донных отложений, дисперсности субстрата. Преобладают на осушенных (выведенных из технологического цикла и обезвоженных) донных котловинах заросли кустарниковых ив и березняка. Позднее под их пологом появляется подрост хвойных пород.

Естественное лесовозобновление в процессе восстановления растительного покрова нарушенных земель может применяться на территориях, не требующих проведения активной биологической рекультивации. В большинстве же случаев при лесной рекультивации создаются искусственные лесные сообщества.

Общая площадь лесных культур, которые занимают участки вскрышных и намывных отвалов с землеванием и без землевания посадочных мест, составила 186 га. По породному составу преобладает сосна - 174 га (93,6 %), в том числе 9,3 га (5,0 %) в смешении с лиственницей. Культуры ели созданы на 12,0 га (6,4 %). В таблице 2 приведено описание пробных площадей (ПП).

Почвенные условия вскрышных отвалов близки к оптимальным, поэтому древостой на них имеет прирост 26...38 см, густоту 1500...2600 шт/га. Проекция живого напочвенного покрытия составила 15...25 %. В сравнении с контролем (лесными культурами на вырубках) отмечается обедненность видового разнообразия. Здесь встречаются лишь вейник наземный, клевер красный,

щавелёк малый, тысячелистник и земляника обыкновенная.

Рекультивация намывных отвалов с землеванием посадочных мест торфяным слоем толщиной 10..30 см способствует формированию фитоценозов удовлетворительного состояния из хвойно-лиственных пород. Средний прирост насаждений сосны достигал 26...49 см, количество экземпляров (шт./га)

3000...4000. Видовой состав ЖНП идентичный с вскрышными отвалами при некоторой сравнительной обедненности.

На участках без землевания древесные насаждения имеют угнетенное состояние, изреженную и укороченную хвою, прогрессирующее снижение роста, заселение стволиков подкорным клопом. В культуры сосны внедряются естественным возобновлением единично: тополь черный, облепиха, ивы, ракитник, берёза и составляют не более 5 %. Для участков без внесенного торфа характерно мозаичное возобновление покрова, проективное покрытие которых варьирует в пределах 5...40 %. Из травянистых растений встречаются келерия сизая, полынь полевая, изредка ослинник двухлетний, клевер пашенный, астрагал песчаный, донник белый, синяк обыкновенный.

В культурах без землевания на площади 0,6 га в течение 4 лет экспериментально в виде подкормки применяли аммиачную селитру. Удобрения вносились из расчета 125 кг/га. В результате у сосны увеличилась длина хвои, сменилась ее окраска с желто-зеленой на зеленую. В двое возросла проекция травяного покрова, его высота увеличилась на 12 %.

Большое практическое значение имеет рекультивация нарушенных земель залужением (посевом трав) (Панюков, 2006; Васильев, 1997). Для улучшения баланса азота и органического вещества в почвогрунтах намывных отвалов был проведен также посев клевера. Клевер успешно произрастает на обедненных почвогрунтах, способствуя накоплению органической массы и образованию гумусового слоя.

Для статистической обработки и анализа таксационных параметров лесных культур были взяты пробные площади с различными вариантами условий произрастания. Они сравнивались с контрольными участками искусственных насаждений на вырубках (табл. 2).

Наиболее низкие показатели на 3 ПП, на намывных площадях отвалов без землевания. Лучшие результаты на 5 ПП, где перед посадкой культур было проведено землевание.

Таблица 2. Характеристика лесных культур на участках рекультивации и вырубках ____________________________________________________________

гш Возр аст лет Таксационный показатель древостоев Варианты

Состав Число деревье в шт/га Средние Средний прирост по высоте, см Текущий прирост по высоте, см

Н, см В, см

1 19 ЮС 2970 226 1,8 13,4 7,6 Посев клевера

2 19 ЮС 2215 284 3,9 15,4 9,6 Внесение удобрения

3 19 7СЗЛц 1156 171 1,1 9,0 9,0 Без землевания

4 18 ЮС 1660 265 1,9 14,7 10,6 Посадка облепихи

5 8 9С1Б+ Ос 3975 350 4,9 42,1 44,7 С землеванием

К1 18 10С+Л Ц 2050 724 7Д 40,2 40,1 Контроль на вырубке

К2 10 8С2Е 2200 533 5,2 53,3 53,4 Контроль на вырубке

По полученным данным (табл. 3, 4) отмечено, что у лесных культур сосны показатели не выходят за пределы большой изменчивости (У=12-51 %). На пробных площадях вариабельность диаметра стволов была более значительна, чем высоты. Максимальные отклонения показателя (11 и 1г) отмечены по высоте на ПП 4, а по диаметру — на ПП 5. Наименьшее отклонение от среднего значения по высоте наблюдается на ПП 1, а по диаметру - на ПП 2. .

Таблица 3. Основные статистические показатели культур сосны по высоте

ПП X, м б 5 т. V, % Нормативное отклонение Р,%

11 Ь

1 2,3 0,22 0,47 0,05 20,75 1,65 1,94 2,17

2 2,8 0,14 0,37 0,07 13,4 2,37 1,66 2,50

3 1,7 0,13 0,36 0,07 20,77 1,75 1,46 4,12

4 2,6 0,26 0,51 0,06 19,58 2,74 3,58 2,31

5 3,5 0,4 0,63 0,07 18,27 1,37 3,69 2,00

1К 7,2 0,79 0,89 0,09 12,29 3,07 2,79 1,25

2 К 5,3 0,83 0,91 ОД 17,05 4,11 1,81 1,89

Таблица 4. Основные статистические показатели культур сосны по диаметру ствола

ПП X, см б 8 тх У,% Нормативное отклонение Р,%

11 12

1 1,8 0,46 0,68 0,04 37,77 1,61 4,90 2,22

2 3,9 1,59 1,26 0,08 31,79 1,88 2,64 2,05

3 1,1 0,33 0,58 0,05 51,19 1,08 3,34 4,55

4 1,9 0,45 0,67 0,04 34,99 1,81 4,79 2,11

5 4,9 1,10 1,05 0,06 21,02 3,9 2,98 1,22

1К 7,1 1,12 1,06 0,07 14,87 2,20 2,8 1,00

2К 5,2 1,24 1Д1 0,07 21,28 2,55 4,36 1,35

Коэффициент вариации по высоте на пробных площадях находится в пределах 12,29...20,77 %, а по диаметру - в пределах 14,87. ..21,02 %.

Наиболее выровненными по высоте являются культуры на ПП 2 и КПП 1, а по диаметру — на ПП 5 и КПП 1, что свидетельствует о значительной однородности экологических условий для роста и развития культур на этих участках.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На рекультивируемых площадях необходимо проводить тщательную планировку поверхности почвы, землевание (нанесение плодородного слоя почвы слоем 0,5 ... 0,7 м), внесение органических и минеральных удобрений или посев сидератов.

2. Создание лесных культур на намывных отвалах без землевания приводит к деградации и гибели насаждений.

3. Сравнение флористического состава по их биологическим характеристикам показывает, что по отношению к влаге растения на нарушенных землях распределяются в диапазоне от ксерофитов до гигрофитов, при доминировании мезофитов (псаммофитов). В структуре флоры по ландшафтно-зональной принадлежности выделяются преобладающие группы видов: синантропные, лесные и луговые. Количество синантропных видов определяется степенью сформированности растительных сообществ, снижаясь в старых.

4. Восстановление нарушенных лесных площадей в условиях свежих, с достаточным увлажнением почвогрунтов, происходит с формированием живого напочвенного покрова, по типу леса зеленомошного, в сухих условиях -лишайникового, в переувлажненных - долгомошного.

5. Насаждения сосны формируемые, как монокультуры, образуют неустойчивые экосистемы. Для лесорекультивационного обустройства техногенных земель целесообразно расширение ассортимента древесных и кустарниковых пород. Необходимо использование более сложных схем смешения для повышения их устойчивости и рекреационной ценности.

6. В целях ускорения процессов восстановления растительного покрова и повышения его продуктивности следует практиковать на биологическом этапе рекультивации посев бобовых трав (клевер, эспарцет и др.) в количестве 2-3 кг/га.

7. Обилие водоемов, на отработанных полигонах МПГС «Волковское», при одновременной близости населённых пунктов, позволяют развивать рекреационное направление рекультивации, (при соответствующем проектном обеспечении комфортности) или же использовать для разведения рыбы и любительского рыболовства.

8. До 10 % исследованных нарушенных земель — вскрышные отвалы, примыкающие к стене леса; днища высохших водоёмов необходимо оставлять под естественное заращивание древесно-кустарниковой растительностью.

9. Намывные осадкообразования, занимающие до 60 % отработанных площадей подлежат землеванию посадочных мест плодородным слоем почвы или потенциально - плодородным (до 0,5 м) и созданию лесных культур.

10.Отвально-намывные отвалы, на которые приходится около 10 %

площадей полигона, находящиеся в местах складирования товарной продукции (песка и гравия, их смеси) и не подверженные самовосстановлению растительного покрова, целесообразно оставлять в качестве разрывов от подземных (торфяных) и других пожаров в окружении лесной растительности.

11.Менее выражен возобновительный процесс и значительно более длителен он на поверхности плотин, дамб и перемычек, тело которых сформировано было обедненными почвогрунтами из глубинных слоев. Они занимают около 10 % обследованных участков и там целесообразно использовать травосеяние.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Согласно списка журналов рекомендованных ВАК

1. Халилова С.Р. Некоторые результаты исследования восстановления и улучшения нарушенных земель методом лесной рекультивации / С.Р. Халилова // Вестник КрасГАУ, 2007. № 4. С. 44-49.

2. Халилова С.Р. Восстановление нарушенных земель методом лесной рекультивации / С.Р. Халилова, А.К. Касимов // Земледелие, 2008. № 6. С. 13-14.

3. Касимов А.К. Лесовосстановление отработанных песчано-гравийных месторождений Прикамья / А.К. Касимов, В.А. Галако, Н.М. Итешина, С.Р. Халилова // Известия Самарского НЦ РАН. Т. 2,2010. № 1/3. С. 880-884.

Статьи в журналах

4. Халилова С.Р. Проблемы восстановления нарушенных земель на примере Волковского карьера ПГС / С.Р. Халилова, А.К. Касимов // Научные труды национального парка «Нечкинский» выпуск 1 (к 10-летию со дня организации Национального парка). Ижевск, изд-во «Инвожо», 2006. С. 26-29.

5. Халилова С.Р. Лесная рекультивация отработанных песчано-гравийных карьеров / С.Р.Халилова, А.К. Касимов // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2008. N 2/16. С. 40-44.

Материалы научно-практических конференций

6. Халилова С.Р. Культуры хвойных пород на рекультивируемых землях Волковского месторождения песчано-гравийной смеси в Удмуртской Республике / С.Р. Халилова, А.К. Касимов // Устойчивому развитию АПК — научное обеспечение: материалы респ. науч. - практ. конф. Т. 1. Ижевск: ИжГСХА, 2004. С. 267-271.

7. Халилова С.Р. Некоторые результаты исследования лесной рекультивации в карьерах песчано-гравийных смесей / С.Р. Халилова, А.К. Касимов // Молодые ученые в XXI веке: материалы всероссийской науч.- практ. конф. ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005. Т.1. С. 329-333.

8. Халилова С.Р. Условия улучшения роста лесных культур при рекультивации техногенных земель / С.Р. Халилова, А.К. Касимов // Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: материалы всероссийской науч.- практ. конф. Т II. ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2005. С. 387-390.

9. Халилова С.Р. Особенности формирования фитоценозов на рекультивируемых площядях песчано-гравийных карьеров / С.Р. Халилова // Современные проблемы почвоведения и экологии: материалы Всероссийской науч. - практ. конф. сборник научных трудов конференции г. Йошкар-Ола Республики Марий Эл, 26-29 сентября 2006 г. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. С. 135-139.

Ю.Халилова С.Р. Искусственное лесовосстановление на рекультивируемых площадях / С.Р. Халилова // Изучение растительных ресурсов Волжско-Камского края: материалы Всероссийской науч. - практ. конф. сборник научных трудов конференции г. Чебоксары Чувашской Республики, 3-5 октября 2008 г. / Гл. редактор д.б.н. Папченков В.Г. Чебоксары, 2008. С. 112-116.

11.Халилова С.Р. Некоторые результаты изучения процесса лесовосстановления техногенных экосистем / С.Р. Халилова // Национальные парки: результаты работы и перспективы развития (п. Новый, 15-17 октября 2007г.): материалы всероссийской науч.- практ. конф. Ижевск, 2008. С. 46-49.

12.Касимов А.К. Морфометрия и лесорастительные свойства почвогрунтов в

условиях открытой разработки ПГС в Прикамье / А.К.- Касимов, С.Р. Халилова // Научное обеспечение инновационного развития АПК: материалы

всероссийской научно-практической конференции. В 3-х т. Т. 1. Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2010. С 235-244.

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, ученому секретарю диссертационного совета Бачуриной A.B.

Факс: (343) 254-62-25; E-mail: dissovet.usfeu@ таіі.ти

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Халилова, Светлана Рашитовна, Ижевск

ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»

61 12-6/303 пРавах Рукописи

Халилова Светлана Рашитовна

ОПТИМИЗАЦИЯ ЛАНДШАФТОВ И ЛЕСОВОЗОБНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТЫХ РАЗРАБОТОК ПЕСЧАНО - ЕРАВИЙНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ЛЕСНЫХ ЗЕМЛЯХ УДМУРТСКОЕО ПРИКАМЬЯ

Специальность 06.03.02 - Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель доктор с.-х. наук, профессор А.К. Касимов

Ижевск - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

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

Глава 1 Программа, методика исследований и объем выполненных работ . 11

1.1 Программа исследований....................................................................11

1.2 Основные положения методики........................................................12

1.3 Объем выполненных НИР..................................................................16

Глава 2 Физико-географические и лесорастительные условия в районе месторождений песчано-гравийной смеси (МПГС) Удмуртской

Республики..........................................................................................................19

2.1 Географическое положение и климат................................................19

2.2 Геологическое строение, рельеф и гидрография..............................21

2.3 Почвы....................................................................................................26

2.4 Лесная растительность........................................................................30

Глава 3 Эколого - технологические аспекты открытой разработки МПГС и

характеристика объектов....................................................................................34

3.1 Производство вскрышных работ и морфометрия форм рельефа .. 35

3.2 Гидромеханизированная технология работ и морфометрия гидравлических отвалообразований........................................................42

3.3 Характеристика техногенных полигонов и ненарушенных (целиковых) участков................................................................................44

Глава 4 Почвенные условия месторождений и пригодность отработанных

почвогрунтов для лесовосстановления..............................................................48

4.1 Геологические условия почвообразования на МПГС......................48

4.2 Характеристика почв целиковых участков......................................52

4.3 Формы отвалообразований в связи с технологией разработки МПГС и отсыпки грунтов........................................................................54

4.4 Техногенные эдафотопы и их лесопригодность..............................57

4.4.1 Свойства почвогрунтов вскрышных отвалов................................59

4.4.2 Особенности грунтосмесей намывных отвалов..........................61

4.4.3 Почвогрунты земляных обвалований и западин..........................64

Глава 5 Естественное возобновление растительности и формирование

живого напочвенного покрова............................................................................70

5.1 Зональная растительность целиковых участков..............................72

5.2 Динамика самозарастания вскрышных отвалов и

поствскрышных арен................................................................................75

5.3 Растительность экотопов намывных отвалообразований................76

5.4 Формирование живого напочвенного покрова земляных обвалований и техногенных западин......................................................78

Глава 6 Состояние лесовосстановления и рекультивация лесных земель,

нарушенных при разработке МПГС................................................................82

6.1 Естественное лесовозобновление на целиковых участках и в условиях нарушенных земель..................................................................82

6.2 Рекультивация земель песчано-гравийных карьеров............ 93

Общие выводы и рекомендации..............................................................114

Библиографический список......................................................................116

Приложения................................................................................................135

ВВЕДЕНИЕ

В Удмуртском Прикамье промышленная разработка долинно-речных месторождений песчано-гравийной смеси (ПГС), как исходного минерального сырья для строительных материалов, была начата в 60-е годы прошлого столетия на древних надпойменных террасах правобережья Камы. За минувшие полвека открытым (карьерным) способом были отработаны полигоны добычи ПГС на многих сотнях гектаров лесных земель водоохранной зоны Камы -важнейшей водной артерии таёжного Предуралья и Европейской части России.

Добываемые пески, гравий и их смеси играют важную роль в обеспечении местным сырьём строительной базы Удмуртской Республики, ограничении ввоза материалов из-за её пределов, повышении экономической эффективности развития региона. С учетом масштабного промышленного и гражданского строительства разработка месторождений ПГС в перспективе будет продолжена и расширена. Очевидны вместе с тем реальные потери, связанные с дальнейшим нарушением (уничтожением) на разрабатываемых полигонах растительного и почвенного покровов, дестабилизации естественно-природных процессов в зоне действия добывающих предприятий.

Актуальность темы диссертации.

Степень негативного влияния карьерной разработки месторождений ПГС обусловлена характером структурного изменения формирующихся ландшафтов, разрушением их литогенной основы, выпадением растительного покрова на участках горных выработок. Наблюдаемое при добыче ПГС коренное перепрофилирование площадей горного отвода в долинно-речной зоне и изменение форм рельефа - это следствие техногенного воздействия мобильных средств, открытого способа извлечения песка и гравия из почвенной толщи. Оно имеет место на всех этапах освоения и эксплуатации месторождения: при подготовительных работах по очистке дневной поверхности участков от растительности, снятии и складировании в отвалы плодородного слоя почвы, вскрытии горизонтов пустой породы (торфов) и

обеспечении доступа к содержащим полезное ископаемое, его выемке,

сортировке и обогащении.

Технологический процесс, как правило, сопровождается отсыпкой вскрышных валов при складировании почвогрунтов, намывом гидроотвалов плавучими земснарядами, абсолютным разрушением и изменением водного горизонта, появлением многочисленных замкнутых и открытых водоёмов, дамб, перемычек и др. Вскрываемые участки уже на подготовительном этапе, а впоследствии - при эксплуатации месторождения, практически полностью лишаются коренных сообществ, нарушается плодородие их почвенного слоя. В этих условиях перспектива восстановления на отработанных полигонах почв, близких к исходному (зональному) типу, сомнительна. Следует признать в связи с этим проблематичность самозарастания выработанных карьерных участков и поствскрышных арен, значительную дифференцированность этого процесса по экологическим условиям и по продолжительности, высокую территориальную мозаичность почвогрунтов, их низкую биопродуктивность. Необходимы поэтому меры оптимизационного характера, стимулирующие приближение этих площадей к исходному биопотенциалу в прошлом лесных земель. Одной из таких мер является рекультивация, служащая ускорению почвенно-растительных восстановительных процессов, оптимизации ландшафтов и лесовозобновлению на отработанных полигонах.

В Удмуртском Прикамье, как и в других регионах страны, значительны площади нарушенных и не рекультивированных лесных земель. Для планирования работ и разработки проектов их восстановления необходима оценка состояния и степени нарушенности почвенного и растительного покрова, определение биоресурсного потенциала посттехногенных площадей, морфометрическая характеристика техногенных форм рельефа, перспективность на них самовозобновительных и восстановительных процессов.

В таежной зоне, куда относится рассматриваемый регион, наиболее доступным и распространенным видом восстановления нарушенных земель

5

является лесное (лесохозяйственное) направление рекультивации. В отличие от других направлений оно более эффективно и менее трудоёмко. При лесной рекультивации отмечается ускоренный возврат техногенных «пустошей» во вторичный хозяйственный оборот благодаря естественному лесовозобновлению (самозарастанию), содействию этому процессу или же искусственному лесовыращиванию (созданию лесных культур).

Лесные насаждения в водоохранной зоне, создаваемые в ходе рекультивационных работ, противодействуют эрозионным процессам, выполняют берегоукрепляющие и руслостабилизирующие функции, поддерживают полноводность рек, регулируют сток и гидрологический режим. Очевидна в связи с этим актуальность темы диссертации для поиска путей

возможного решения существующей проблемы.

Цель исследования заключалась в изучении особенностей восстановления лесной растительности на нарушенных землях при открытой добыче ПГС, оценке их способности к естественному зарастанию и необходимости активных мер оптимизационного плана по ускорению демутационных процессов в условиях функционирования минерально-сырьевой базы строительного комплекса Удмуртской Республики. Проводился научный поиск обоснования оптимальных направлений и методов рекультивации земель на отработанных полигонах МПГС.

Решались следующие задачи:

1. Анализ природно-климатических условий района добычи ПГС.

2. Изучение агрохимических и лесорастительных свойств почв и почвогрунтов на нарушенных площадях.

3. Выявление видового состава и закономерностей формирования растительных сообществ в различных эдафотопах.

4. Исследование процессов естественного и искусственного восстановления почвенного и растительного покровов.

5. Оценка приживаемости и роста лесных культур в. условиях землевания посадочных мест торфом и плодородным слоем почвы (ПСП), внесением

б

удобрений.

6. Разработка рекомендаций по повышению эффективности, и ускорению восстановительных процессов на нарушенных при добычи ПГС территориях.

Научная новизна.

В условиях освоения открытым (карьерным) способом нерудных минерально-сырьевых месторождений Удмуртского Прикамья впервые наиболее полно в региональном аспекте проведено морфоэдафическое и фитоценотическое изучение техногенных ландшафтов на отработанных полигонах средне- и верхнечетвертичных террас и голоценных отложений Камской долины. По результатам исследований (2003-2010гг.) дана комплексная характеристика орографии и почвенных (почвенно-грунтовых)

условий обследованных площадей.

Известно, что особенности рельефа, наряду с характером почвообразующих пород и почвенными условиями, в конкретном климатическом регионе служат главнейшим условием разнообразия растительного покрова [1]. Поэтому важность «описания местности» в вопросах изучения лесорастительных условий при формировании насаждений, в том числе в долинах рек, признавалась многими исследователями [2-6]. В связи с отмеченным более полному описанию форм микрорельефа отвалообразований по группам нарушенных земель, как объектов рекультивации, нами придавалось важное значение. Выявлялась видовая экологическая специфика растительных сообществ в условиях широкого спектра местообитаний (эдафотопов). Была проведена инвентаризация флоры, изучен её состав.

Исследована, экспериментально выявлена и обоснована зависимость техногенных форм микрорельефа лесокультурных площадей от характера отработки полигонов. При этом изучена степень и продолжительность влияния различных вариантов землевания посадочных мест на приживаемость и рост культур хвойных и лиственных пород. Дана характеристика биометрических

7

показателей формирующихся молодияков естественного происхождения и в культурах.

В рекомендациях изложены основные положения восстановления и оптимизации ландшафтов, ускорения лесовозобновительных процессов в долинно-речной зоне на нарушенных разработкой месторождений ПГС лесных землях.

Практическая значимость результатов научного поиска решений по существующей проблеме заключается в возможности регионального использования выводов и рекомендаций. В них излагаются конкретные подходы для выполнения рекультивационных работ в сопоставимых экологических условиях. Установлены остаточные агрохимические и физические характеристики почвогрунтов в выработанных карьерах и на поствскрышных аренах, их лесорастительные- свойства, степень лесопригодности на биологическом этапе рекультивации.

Сделан прогноз и дана оценка фитопродуктивности техногенных ландшафтов. Приведена биометрическая характеристика основных пород-лесообразователей в молодняках искусственного происхождения и на участках естественного зарастания, предложены варианты активного стимулирования роста и развития посадок лесных культур способами землевания, внесения удобрений, агротехнических и лесоводственных уходов.

Личный вклад. Автором с учетом рекомендаций руководителя намечена программа, сформулированы цель и задачи исследований, выбраны методические подходы к их решению. Лично определены объекты, осуществлен сбор экспериментального материала, проведен анализ полученных данных, сделаны научные выводы, разработаны рекомендации.

Апробация работы осуществлялась в порядке докладов и сообщений на региональной научно-практической конференции «Устойчивому развитию АПК - научное обеспечение» (Ижевск, 2004); всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы аграрной науки и пути их решения» (Ижевск, 2005); всероссийской научно-практической конференции

молодых ученых и специалистов «Молодые ученые XXI века» (Ижевск, 2005); всероссийской научной конференции «Современные проблемы почвоведения и экологии» (Йошкар-Ола, 2006); научных трудах национального парка «Нечкинский» (п. Новый УР, 2006); всероссийской научно-практической конференции «Национальные парки: результаты работы и перспективы развития», посвященной 10-летию Национального парка «Нечкинский» (п. Новый УР, 2008) всероссийской научно-практической конференции «Изучение растительных ресурсов Волжско-Камского края» (Чебоксары, 2008); научно -практическом журнале «Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии» (Ижевск, 2008); всероссийской научно-практической конференции «Научное обеспечение инновационного развития АПК», посвященной 90-летию государственности Удмуртии (Ижевск, 2010); научно-практическом журнале «Вестник КрасГАУ» (Красноярск, 2007); теоретическом и научно-практическом журнале «Земледелие» (Москва, 2008); известиях Самарского НЦ РАН (Самара, 2010).

Публикации. Материалы научных исследований опубликованы в 12 печатных работах, в том числе в трех изданиях, рекомендованных ВАК. Основные положения, выносимые на защиту:

7. Почвенно-экологические факторы, определяющие лесопригодность эдафотопов в условиях открытых разработок долинно-речных

месторождений ПГС.

8. Морфометрия микро- и мезорельефа различных форм отвалообразований, как объектов оптимизации на техническом этапе рекультивации.

9. Видовая специфика и разнообразие растительных сообществ посттехногенных лесных земель.

10.Причинно-следственные связи мозаичности почвогрунтов и лесовозобновления на нарушенных землях.

П.Землевание лесопосадочных мест, как активный фактор стартового стимулирования ростовых и восстановительных процессов на биологическом этапе рекультивации.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и рекомендаций, списка литературы из 194 источников. Работа содержит 18 таблиц, 18 рисунков, 9 приложений, текст изложен на 154 страницах.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю доктору сельскохозяйственных наук профессору А.К. Касимову за научные консультации и конструктивные замечания при написании и оформлении работы.

Глава 1. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ

1.1 Программа исследований

Необходимо было изучение основных факторов, определяющих эффективность восстановления растительного покрова в связи с агрохимическими свойствами, экологией и топографией нарушенных земель; проведение эколого-фитоценологического анализа и оценки естественно-восстановительного потенциала посттехногенных лесных территорий; уточнение параметров условий возобновления, формирования и роста молодняков в возрастной период от индивидуального роста до перевода их в лесопокрытую площадь и далее в фазе формирования древостоя. Обследование и изучение формирующихся на отработанных полигонах насаждений позволяет более уверенно оценить правильность и целесообразность горнотехнических и лесоводственных приемов, подбора механизмов, методов естественного заращивания нарушенных земель или создания на них лесных культур.

В соответствии с поставленной целью программа исследовательских и опытно-экспериментальных работ предусматривала:

• характеристику природных условий и климата региона, естественной растительности на землях лесного фонда, а также в условиях нарушенных и восстанавливаемых площадей;

• изучение агрохимических и лесорастительных свойств почв и почвогрунтов, формирующихся на рекультивируемы�