327

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Воронежская государственная лесотехническая академия»

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт по проблемам Курской магнитной аномалии им. Л.Д. Шевякова»

РЕКОМЕНДАЦИИ по повышению плодородия песков и песчано-

меловых смесей при лесной рекультивации отвалов Курской магнитной аномалии

Воронеж-Губкин

2012

2

УДК 630*233:631.618

Рекомендации по повышению плодородия песков и песчано-меловых смесей при лесной рекультивации отвалов Курской магнитной аномалии [Текст] / Э.И. Трещевская [и др.]. – Воронеж: ВГЛТА, 2012. – 18 с.

Рекомендации подготовили: доц., канд. с.-х. наук Трещевская Э.И., проф., доктор с.-х. наук Панков Я.В., руководитель НТЭЦ, канд. техн. наук Бабец А.М., зав. лаб. Лейзерович С.Г., доц., канд. с.-х. наук Дюков А.Н., доц., канд. биол. наук Одноралов Г.А., доц., канд. биол. наук Тихонова Е.Н., доц., канд. с.-х. наук Навалихин С.В., асс., канд. с.-х. наук Деденко Т.П., асс., канд. с.-х. наук Трещевский И.В., асс., канд. с.-х. наук Малинина Т.А., асп. Трещевская С.В., асп., ст.н.с. Тиганова Ю.В., асп., н.с. Вислогузова С.А.

Рекомендации одобрены: Ученым советом Научно-исследовательского института по проблемам Курской магнитной аномалии им. Л.Д. Шевякова. Протокол № 18 от 02 мая 2012 г.

Ответственный за выпуск доц., канд. с.-х. наук Андрющенко П.Ф.

Рекомендации предназначены для работников природоохранных организаций, занимающихся разработкой проектов по биологической рекультивации земель, нарушенных горнотехническими работами, а также научных организаций – для проведения почвенно-экологического мониторинга.

3

ВВЕДЕНИЕ

Курская магнитная аномалия (КМА) – самый большой и богатый железорудный бассейн мира, где добыча железистых кварцитов производится открытым способом, при котором разрушаются все компоненты ландшафта. В результате возникают техногенные комплексы, характеризующиеся экстремальными условиями для жизни всего живого.

Учитывая, что естественное преобразование нарушенных земель в устойчивые природно-техногенные комплексы идет очень медленно, для быстрейшего возвращения их в хозяйственный оборот необходимо проводить рекультивацию. Одним из способов предотвращения вредного экологического воздействия горнорудного производства на природу, защиты отвалов от водной эрозии и дефляции является биологическая рекультивация, из которой на крутосклонных отвалах наиболее перспективной рекомендуется лесная.

Однако, пески и песчано-меловые смеси, имеющие преимущественное распространение среди вскрышных пород в отвалах, порой являются непригодными для произрастания даже защитных насаждений. 40-летний мониторинг позволил выявить достоинства и недостатки существующих способов повышения плодородия бедных субстратов, а также выбрать и рекомендовать для дальнейшего применения наиболее удачный и перспективный среди них.

4

1.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1Нарушенные земли являются неотъемлемым составным элементом ландшафтов в районах с открытой разработкой железорудных месторождений. Большую площадь занимает зона, находящаяся под экологически опасным воздействием техногенных ландшафтов. Влияние их на различные компоненты окружающей среды многообразно и выходит далеко за пределы занимаемой территории.

1.2Большинство отвалов формируются путем гидравлического намыва песка или песчано-меловой смеси с небольшим содержанием ила и физической глины, в процессе железнодорожной и автомобильной транспортировки и отсыпки субстратов в отвалы и, частично, отсыпкой конвейерами.

1.3В гидроотвалах субстраты представляют собой сравнительно однородную смесь, в автоотвалах и железнодорожных отвалах горные породы смешиваются беспорядочно или слоями.

1.4Многие отвалы порой существуют недолго. Они в дальнейшем могут разрушаться с целью использования вскрышных пород в качестве сырья для строительства, а также в результате дополнительного отвода земель под карьер.

1.5Среди вскрышных пород преобладают пески и песчано-меловые смеси. Наиболее бедными они являются в гидроотвалах. Преобладающими горными породами в отвалах рыхлой вскрыши (железнодорожных) являются пески сеномана и апта. Примесь алевритов, юрских и девонских глин придает субстратам супесчаный, а местами легкосуглинистый гранулометрический состав.

Втолще отвала встречаются куски фосфоритов, сланцев, мела и мергеля. Последние породы относятся к отложениям мезозоя, они иногда почти полностью покрывают поверхность откосов.

1.6Искусственные геосистемы, сформированные вскрышными горными породами, характеризуются крайней неустойчивостью. Укрепление их поверхности, предотвращение эрозии и дефляции, перевод поверхностного стока во внутрипочвенный, улучшение химического состава субстратов достигается путем проведения биологической рекультивации.

1.7Не все породы, складируемые в отвалы, являются пригодными для выращивания даже защитных насаждений. Пески и песчано-меловые смеси характеризуются неблагоприятными для произрастания растений агрохимическими и водно-физическими свойствами.

1.8Повысить плодородие субстратов в промышленных отвалах можно

5

разными способами: 1) землеванием, т.е. нанесением на поверхность песка или песчано-меловой смеси плодородного (черноземного) или потенциальноплодородного (суглинистого) слоя; 2) формированием трехслойных субстратов с погребенным плодородным или потенциально-плодородным слоем под слоем песка или песчано-меловой смеси; 3) созданием рекультивационных насаждений из почвоулучшающих древесных пород и кустарников.

2. ПОВЫШЕНИЕ ПЛОДОРОДИЯ СУБСТРАТОВ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТВАЛАХ ПУТЕМ ЗЕМЛЕВАНИЯ

2.1В условиях отвально-техногенных ландшафтов экологическими факторами абиотической природы, оказывающими влияние на рост и развитие растительности, являются эдафические (почвенно-грунтовые), топографические (строение рельефа) и климатические (свет, тепло, осадки, влагонакопление в субстратах). Ведущими являются эдафические факторы, зависящие от потенциального плодородия пород вскрыши, складированных в отвалы.

2.2Горные породы нижне- и верхнемеловых отложений, намытые в гидроотвалы, представлены кварцевыми песками альского яруса, песчаноглинистыми отложениями, богатыми слюдой, апского яруса, сеноманскими среднезернистыми кварцевыми песками с включением стяжений фосфоритов, а также кусками мела сенонского и туронского ярусов. Все они отличаются крайне неблагоприятными для произрастания растений агрохимическими и водными свойствами.

2.3На поверхность гидроотвалов возможно нанесение плодородного слоя, представляющего собой смесь почвы нескольких генетических горизонтов чернозема типичного, снятого и складированного в бурты в процессе разработки карьера. Мощность плодородного слоя может колебаться от 20 до 60 и более см.

2.4Для намытого песка и насыпного плодородного слоя характерно четко выраженное слоистое строение, обусловленное различной степенью увлажнения, структурой, плотностью сложения, включением мело-мергельной крошки.

Сувеличением мощности плодородного слоя возрастает количество слоев, которые, начиная с глубины 30 см и ниже, отличаются высокой плотностью, бесструктурностью, отсутствием активных пор, трещиноватостью в сухой период времени, а во влажном состоянии – сильной вязкостью и липкостью. При небольшой мощности плодородного слоя (до 30 см) наблюдается образование су-

6

хой прослойки в песке на контакте с тяжелосуглинистым плодородным слоем.

2.5По гранулометрическому составу нанесенный плодородный слой в основном представлен легкими и средними глинами, а намытый песчаномеловой субстрат – среднезернистыми песками.

2.6Тяжелосуглинистый или глинистый гумусированный слой обладает высоким потенциальным плодородием. Намытые же субстраты отличаются резким возрастанием количества кремнезема и, напротив, обеднением всеми остальными оксидами.

2.7Сопоставление микроэлементного состава субстратов с зональными почвами обнаруживает тенденцию к возрастанию в плодородном слое железа, титана, резкое увеличение никеля, меди и, напротив, сокращение содержания валового марганца.

2.8В техногенных субстратах и плодородном слое содержится разное количество водорастворимых веществ. Последний характеризуется отсутствием засоления. Намытые пески в различных слоях содержат неодинаковое содержание солей. Скопления в толще тонкозернистых песков апта характеризуются высоким засолением.

2.9Многолетнее хранение снятой черноземной массы в буртах сказывается на потерях органическим веществом азота. Намытая песчаная смесь обладает, наряду с высокими показателями рН, низким содержанием органического вещества, азота и других элементов.

2.10Наносимый на поверхность гидроотвала плодородный слой в верхней части отличается значительной распыленностью.

2.11С агромелиоративной точки зрения плодородный слой обладает высокой потенциальной возможностью структурообразования. Тем не менее, повышенный фактор дисперсности связан с невысоким содержанием в нем гумуса, который от длительного хранения в буртах утратил склеивающую способность. Нанесенный плодородный слой обладает низкой водоустойчивостью.

2.12Насыпной слой характеризуется высокой плотностью, являясь очень сильно уплотненным, с одновременным снижением порозности на глубине.

2.13Вследствие тяжелого гранулометрического состава, очень низкой порозности и агрегатности нанесенный на поверхность гидроотвала плодородный слой характеризуется неудовлетворительной водопроницаемостью.

2.14Физико-механические свойства субстратов на откосах отвала, показывающие устойчивость их против размывающего действия воды, разрушения ветром, воздействия корневых систем, отличаются рядом специфических осо-

7

бенностей. Прежде всего, обращает на себя внимание очень высокая твердость плодородного слоя, которая увеличивается с глубиной.

2.15Важным показателем противоэрозионной устойчивости откосов гидроотвала является сопротивление субстратов сдвигу, а также определение внутреннего трения и сцепления, действующих в точках контакта почвенных частиц. Коэффициент сцепления указывает на недостаточно высокую связь между частицами плодородного слоя.

2.16В период сильного увлажнения отвальных субстратов плодородный слой приобретает текуче-пластичную консистенцию и в виде тонкого слоя начинает течь по поверхности отвала.

2.17Ухудшение комплекса водно-физических свойств при значительной крутизне откосов отвала резко снижает противоэрозионную устойчивость нанесенного плодородного слоя, в результате чего после землевания отвала развивается эрозия чрезвычайно сильной интенсивности. 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.

2.18Рельеф в условиях отвально-техногенных ландшафтов оказывает существенное влияние на перераспределение тепла и влаги атмосферных осадков, вызывает неодинаковый характер процессов концентрации воды в субстратах. Склоновый характер рельефа является одной из основных причин развития линейной и плоскостной эрозии.

2.19В летний период времени на поверхности откосов интенсивно развивается поверхностный сток, что объясняется слабым поглощением атмосферных осадков из-за низкой водопроницаемости и неудовлетворительной водопрочности агрегатов, в результате чего поверхность плодородного слоя заплывает и становится малопроницаемой для воды.

2.20Размеры ежегодного выноса гумуса и элементов питания в доступной и потенциально-усвояемой форме с летним стоком достигают значительных величин: гумуса – 720-1080, азота – 52-78, калия – 319-479 и фосфора – 2843 кг/га. Землевание поверхности песчаных субстратов без одновременного их биологического закрепления растительным покровом приводит к потерям огромного количества питательных веществ, которые могли бы быть рационально использованы в сельскохозяйственном производстве.

2.21В условиях отвально-техногенных ландшафтов, созданных путем от-

8

сыпки пород вскрыши в увало-холмистые отвалы, одним из важных экологических фактором является влага, от запасов которой в субстратах зависит успех их освоения.

2.22С точки зрения обеспеченности растительности влагой, наибольшее значение имеют осадки весеннего и летнего сезонов, сочетание которых создает вполне удовлетворительные условия для произрастания растений. Увеличение мощности нанесенного плодородного слоя не только способствует общему увеличению в нем запасов влаги, но и оказывает влияние на распределение ее в песчаной толще. Сухая прослойка под плодородным слоем на большой глубине не образуется, и между двумя толщами разного гранулометрического состава, хотя и медленно, но происходит влагообмен.

2.23Нанесение на поверхность песка или песчано-меловой смеси слоя тяжелосуглинистой-легкоглинистой массы толщиной 30-40 см не обеспечивает

вдостаточном 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 ними.

2.24Повышение 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.

2.25Покрытие 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 не велики и не могут обеспечить нормального роста и развития древесных пород и кустарников.

2.26Увеличение мощности плодородного слоя до 80-100 см, с одной стороны, приводит к повышению запасов химических элементов в корнеобитаемом слое, а с другой, – способствует образованию еще более плотного утрамбованного плодородного слоя с плохими физическими и водными свойствами, который слабо осваивается корнями растений. Кроме того, этот прием является экономически невыгодным.

9

3. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ОТВАЛОВ ПОСЛЕ ЗЕМЛЕВАНИЯ

3.1На склонах гидроотвалов для борьбы с водной эрозией и дефляцией применяется лесная рекультивация, заключающаяся в выращивании защитных насаждений из малотребовательных к почвенно-грунтовым условиям древесных пород и кустарников, обладающих быстрым ростом и высокой степенью мелиорирующих свойств.

3.2Приживаемость и рост древесных пород и кустарников зависят от комплекса экологических факторов, среди которых основными являются погодные условия вегетационного периода и запасы воды в субстратах. Влияют также сложение и физические свойства нанесенного слоя, абсолютная высота на различных частях отвала, экспозиция склонов и др. В свою очередь, от биологической продуктивности насаждений зависит преобразование субстратов и повышение их плодородия.

3.3На откосах и на поверхности гидроотвалов четко выделяются три типа экологических гидротермических условий, способствующих различной приживаемости и неодинаковой энергии роста древесных пород и кустарников: хорошие, удовлетворительные и неудовлетворительные. Хорошие условия складываются при оптимальном количестве весенне-летних осадков и равномерном их распределении по месяцам, а также при отсутствии дефицита влаги

ихорошей влагозарядке плодородного слоя с осени предыдущего года; удовлетворительные – в годы с оптимальным количеством осадков в весенне-летний сезон, но с крайне неравномерным их выпадением по месяцам, в результате чего наступают периоды не только атмосферной, но и почвенной засухи; неудовлетворительные – в годы с низким количеством весенне-летних осадков, крайне неравномерным их распределением по месяцам и высоким дефицитом влажности субстратов с предшествующего года.

3.4В экстремальных условиях почвенно-атмосферной засухи на гидроотвале удовлетворительным состоянием и ростом в высоту обладают тополя и акация белая. Несмотря на высокую приживаемость клена остролистного и ясеня зеленого, эти породы в условиях недостатка влаги в субстратах, высоких температур и низкой относительной влажности воздуха отличаются крайне замедленным ростом. Относительно хорошую приживаемость имеют береза повислая, яблоня лесная и рябина обыкновенная, однако, как и предыдущим двум породам, им присущ низкий прирост. Наибольшие величины прироста отмеча-

10

ются не только в годы с оптимальным экологическим режимом, но и в те годы, которым предшествует значительная увлажненность.

3.5Наибольшая сохранность присуща тополю гибридному, акации белой, облепихе крушиновой. В остальных насаждениях с возрастом сохранность уменьшается: резко падают ее величины у сосны обыкновенной, ясеня зеленого, клена остролистного, и постепенно снижается сохранность у березы повислой, рябины обыкновенной и других пород.

3.6К возрасту 35 лет более высокими показателями роста характеризуются береза повислая и сосна обыкновенная. Им уступают акация белая и клен остролистный.

3.7Для успешного восстановления природного комплекса рекомендуется проведение научно-обоснованных мероприятий по созданию агролесоценозов, которые должны отличаться наибольшей биологической продуктивностью, что обусловливает усиление концентрации биологически важных питательных элементов, улучшение физического состояния нанесенного плодородного слоя

ив целом повышение плодородия субстратов. Кроме того, наиболее продуктивные фитоценозы усиливают баланс углерод-кислород в окружающей среде, способствуя уменьшению антропогенного поступления двуокиси углерода в атмосферу.

3.8Количество органического вещества, синтезированного различными древесными породами и кустарниками, колеблется в очень широких пределах и увеличивается с возрастом. Больше всего органического вещества накапливается в акации белой, облепихе крушиновой и лохе узколистном.

3.9С увеличением мощности нанесенного плодородного слоя возрастает процент подземных органов. Наиболее мощную и развитую корневую систему имеет тополь, облепиха, акация белая и лох. У последних двух пород корневая система компактна, в то время как у облепихи мощные боковые корни, располагаясь на глубине 5-20 см, уходят в сторону междурядий на расстояние до 4-5 м.

3.10Запасы фитомассы в различных насаждениях неодинаковы и колеблются в широких пределах. Наибольшей продуктивностью отличаются насаждения акации белой и облепихи. Мелиорирующую роль листьев в насаждениях тополя, рябины, жимолости татарской и акации желтой можно считать незначительной. В них резко возрастает роль травянистой растительности.

3.11Резко увеличивающаяся масса корней травянистых растений является серьезным конкурентом для нормального развития древесных пород и кус-