Введение
Актуальность. Проблема деградации экосистем вообще и их базовой основы - почвы, в частности, имеет глобальный характер. Однако в некоторых регионах, таких как, например, Кузбасс, она приобретает особую актуальность. Десятилетия экстенсивного развития здесь промышленности привели к глубокому экологическому кризису в природопользовании вообще и в землепользовании в частности. В настоящее время не менее 70% почвенного покрова земледельческой части региона в той или иной степени трансформировано, около 100 тыс. га уничтожено полностью [Малахов, 1999]. На месте уничтоженного почвенного покрова созданы, так называемые, «техногенные» ландшафты, значительная часть которых в течении многих десятилетий по различным причинам сохраняет облик техногенной пустыни. В почвенно-экологическом плане это означает - резкое замедление процессов замедленное или полное отсутствие почвовосстановительных процессов, в геоботаническом восстановления растительного покрова, в общеэкологическом — сохранение на неопределенно длительный срок экоклина, в санитарно-гигиеническом - ухудшение качества окружающей человека среды.
Техногенный ландшафт представляет собой разновидность антропогенного ландшафта, особенности образования которого обусловлены производственной деятельностью человека. Если обычные антропогенные ландшафты оказываются чаще всего лишь в той или иной степени преобразованными естественными ландшафтами, то техногенные - практически полностью (рельеф, состав пород и т.д.) сформированы техническими средствами. Поэтому если природный ландшафт является естественно-историческим образованием, сформированным совокупным и одновременным действием всех факторов географической среды, то техногенному свойственна предельная степень нарушенности взаимосвязей этих факторов. Наиболее характерными представителями таких ландшафтов можно считать отвально-карьерные ландшафты, образовавшиеся при разработке месторождений полезных иско-
5
паемых открытым способом. В результате нарушения почвенного и расти-тельного покровов происходит замена природных ландшафтов техногенными, восстановление которых естественными процессами идет очень медлен-но. Для ускорения процессов восстановления техногенных ландшафтов необходимо применять комплекс рекультивационных мероприятий, направленных на создание оптимальных условий почвообразования и развития фито-ценозов.
В большинстве случаев темпы рекультивационных работ значительно отстают от роста площадей нарушеных земель, а применяемые технологии рекультивации имеют низкий уровень наукоемкости и экологической эффективности, не позволяющий значительно снизить негативное влияние техногенных ландшафтов на прилегающие территории и естественные экосисте-Ф мы. Совершенно очевидно, что требуется новый подход и в организации ре-
культивационных работ, особенно в проектировании, и научном обеспечении применяемых технологий рекультивации.
Цель и задачи. Целью работы является выявление и оценка основных факторов, лимитирующих восстановление растительного и почвенного покрова, установление закономерностей развития почвообразовательного процесса в техногенных ландшафтах, характеристика их почвенно-ф экологического состояния и оценка перспектив рекультивации нарушенных
A территорий.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- оценка экологических условий почвообразования в техногенных ландшафтах;
- изучение сингенеза почвообразовательных и биологических процессов;
- разработка профильно-генетической классификации почв техногенных ландшафтов;
ф - выявление процессов, определяющих динамику почвенно-экологического
41 состояния техногенных ландшафтов;
6
- определение перспектив и ресурсов рекультивации техногенных ландшафтов в Кузбассе.
Защищаемые положения:
- результатом техногенеза является образование техногенных ландшафтов, в которых формируется специфический почвенный покров с ограниченным набором экологических функций.
- эволюция восстанавливающихся почв сингенитична стадиям сукцессии растительного покрова, формирующегося в данном техногенном ландшафте.
- почвенно-экологическое состояние техногенного ландшафта определятся уровнем развития в нем почв и почвенного покрова.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые изучена динамика эволюции почв в техногенных ландшафтах. Показано, что она реализуется в последовательной смене фаз почвообразования и соответствует определенному типу эмбриоземов. Каждая фаза восстановления почвы синге-нетично связана со стадией развития растительной сукцессии.
На базе разработанной классификации почв техногенных ландшафтов установлены различия в особенностях формирования почвенного покрова на нарушенных территориях, расположенных в разных природно-климатических зонах.
Выявлены основные лимитирующие факторы, тормозящие развитие почвообразовательных процессов, и показаны реальные пути их снятия.
Разработана методика оценки потенциальной биологической продуктивности рекультивированых почв.
Показано, что результат рекультивационных мероприятий зависит от эффективности использования местных природных ресурсов рекультивации.
Практическая значимость и реализация научных разработок. Выполненные исследования позволили разработать профильно-генетическую классификацию почв техногенных ландшафтов, на основании которой отработана методика оценки почвенно-экологического состояния техногенных ландшафтов.
7
Предложен метод оценки потенциальной биологической продуктивности рекультивированых почв, который позволяет сравнить различные технологии рекультивации по почвенно-экологической эффективности уже на этапе их проектирования.
В ходе выполнения научно-исследовательских работ были получены три свидетельства на изобретение полезной модели: Свидетельство на полезную модель RU №14668 U1 «Устройство для определения интегральной и усредненной температуры местообитания»; Свидетельство на полезную модель RU №21664 Ш «Испаритель»; Свидетельство на полезную модель RU №28253 U1 «Устройство для определения внутрипочвенной конденсационной воды».
Разработанные методики могут быть рекомендованы для применения природоохранными организациями Кузбасса и других регионов России в целях оценки применяемых технологий рекультивации и эффективности использования средств выделяемых на рекультивацию.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на VIII Всесоюзном (Новосибирск, 1989), III (Суздаль, 2000) и IV (Новосибирск, 2004) съездах Докучаевского общества почвоведов; Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам повышения плодородия почв (Москва, 1998); Всероссийской научно-практической конференции и Международной научно-практической конференциях по устойчивому развитию (Кемерово, 1997, 1999), Международном совещании по биологической рекультивации (Екатеринбург, 2002).
Публикации. По материалам исследований опубликовано: 37 научных работ, в том числе 4 монографии (в соавторстве), 5 авторских статей и 3 изобретения.
Личный вклад автора. Диссертационная работа явилась результатом 20-летних комплексных исследований, которые выполнялись в рамках программ СО АН СССР, СО РАН, ГНТПР «Цеолиты России» - изучены экологические эффекты применения цеолитов в целях рекультивации, «Биологиче-
8
ское разнообразие» и интеграционного проекта ФЦП «Интеграция» проект К-211 - разработана технология применения городских осадков сточных вод для рекультивации фитотоксичных пород. Все исследования выполнялись при непосредственном участии автора на базе лаборатории рекультивации почв ИПА СО РАН. Данная работа обобщает исследования автора и некоторые разработки сотрудников лаборатории. В обсуждении результатов принимали участие доктора наук Л.П. Баранник, А.Н. Куприянов и другие сотрудники КемНЦ СО РАН, а также сотрудники лаборатории рекультивации почв ИПА СО РАН к.б.н. Ф.К. Рагим-заде, к.б.н. Ф.А. Фаткулин, к.б.н. Е.Д. Куляпина. Автор считает своей приятной обязанностью всем указанным лицам принести искреннюю благодарность. Также автор выражает свою благодарность заместителю директора по научной работе д.б.н. A.A. Танасиенко за внимание к проведению экспедиционных исследований в период выполнения работы. Особую признательность хочется выразить научному консультанту, доктору биологических наук, заведующему лабораторией рекультивации почв ИПА СО РАН В.М. Курачеву за научную и организационную помощь.
9
Глава 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЧВ
1.1. История проблемы и постановка вопроса
С момента появления территорий, которые нарушали целостность естественной природной обстановки людей, беспокоили эти новые образования и интересовали способы восстановления хотя бы растительности. На начальных этапах добыча полезных ископаемых проводилась на незначительных площадях примитивными орудиями производства. Это не приводило к масштабным нарушениям естественных экосистем. Как правило, такие нарушенные территории восстанавливались естественными процессами. В более позднее время по мере, совершенствования производительных сил, площади и степень нарушения многократно возросли.
Первые попытки осмысленно восстанавливать растительность на нарушенных землях начали предпринимать в промышленно развитых странах. Один из первых исторических фактов рекультивации описан Кнабе [Knabe, 1964] — высадку ольхи на отвалах образованных после добычи угля по приказу короля Саксонии Фридриха в 1784 году. Однако до начала XX века эти работы можно считать единичными и как исключение из правил. В более значительных масштабах восстановление нарушенных территорий, по данным того же автора, производилось в Германии при облесении отвалов в Рейнском угольном бассейне в 20-х годах XX века. В Англии примерно в тоже время в Мидленде также были предприняты первые попытки рекультивировать нарушенные земли [Моторина, Овчинников, 1975].
Бурное развитие промышленности после окончания Второй мировой войны привело к резкому возрастанию темпов разрушения естественных природных ландшафтов и заменой их техногенно нарушенными территориями или природно-техногенными комплексами [Колесников, 1974; Моторина, 19756]. Объемы и степень нарушения промышленностью природных ланд-
10
шафтов возросли настолько, что это позволило сравнивать деятельность человека с геологическими процессами [Вернадский, 1926; 1965]. Разрушение природных ландшафтов приводит к возникновению очагов активного загрязнения почв, атмосферы и вод и способствует значительному снижению качества жизни на прилегающих территориях. Негативное влияние их на окружающие природные экосистемы заставило исследователей вплотную заняться проблемой рекультивации нарушенных земель. В промышленно развитых странах Европы начинают проводить практические рекультивационные мероприятия по восстановлению нарушенных земель в основном сельскохозяйственного и лесохозяйственного направления.
Особенно большой всплеск работ по рекультивации нарушенных земель произошел в 60-70-е годы прошлого столетия. К этому времени был собран большой экспериментальный материал о негативном влиянии техногенных ландшафтов на окружающую среду, и площади нарушенных земель стали сопоставимы с площадями сельскохозяйственных угодий [Knabe, 1959; Beaver, 1960; Arguile, 1971].
В эти годы в большинстве промышленно развитых стран были разработаны и приняты законы, государственные программы и проекты, направленные на защиту окружающей среды и содержащие разделы по рекультивации земель. Особенно большое внимание к рекультивации земель уделяется в Германии, Англии, Чехословакии, Польше, США и др. В этих странах общепринятым становится требование к разравниванию и селективному формированию отвалов. Так, например, в Германии слой плодородных грунтов, насыпаемых на отвалы, должен быть не менее 1 метра для основных сельскохозяйственных культур и 1,5 - 2 метра для плодовых древесных культур [Veromung ..., 1965], откосы отвалов должны быть выположены до крутизны 1:4 [Werner, 1966]. В тоже время необходимо отметить, что требования селективной отсыпки потенциально плодородных пород появляются только в тех странах, где при разработке месторождений на поверхность выносятся фитотоксичные породы, которые длительное время не зарастают и наносят
11
ощутимый вред окружающим ландшафтам. Особенно жесткие требования к проведению рекультивационных работ и восстановлению почвенно-растительного слоя в это период принимаются в странах, где существует дефицит сельскохозяйственных угодий (Германия, Англия, Венгрия и др.). В Германии под лесную рекультивацию используются только участки, не пригодные для сельскохозяйственного производства, в основном склоны и откосы отвалов.
В США по официальным данным в начале 80-х годов прошлого столетия ежегодно разрушались более 60 тыс. га в год открытыми разработками полезных ископаемых [Brent-Jones, 1984]. Для организации рекультивационных работ и осуществления контроля в США, начиная с 1930-х годов в различных штатах стали приниматься законы, которые обязывали горнодобывающие компании, восстанавливать нарушенные земли. Принятие этих законов позволило интенсифицировать работы по рекультивации нарушенных земель. В большинстве случаях эти законы регулируют стоимость нарушенных земель и рекультивационных работ, а также определяют сроки и способы восстановления растительного и почвенного покровов. В некоторых законах, предусматривается селективная разработка месторождений и раздельное снятие и складирование потенциально плодородных пород (111111) и плодородного слоя почвы (ПСП) [Day, Tucker, Thames, 1982; Brown, Jackson, 1984]. Тем не менее в отдельных штатах, где дефицит сельскохозяйственных площадей ощущается не так остро, на начальном этапе требования к рекультивации нарушенных земель были значительно упрощены. Так, например, в штате Оклахома закон о восстановлении горных отвалов в 1968 г. не предполагал даже планировку отвалов. Только в 1971 г. принят новый закон, по которому обязательным условием рекультивации является выравнивание отвалов и закрепление их поверхности травянистым покровом [I. Kennetn, 1971]. В дальнейшем рекультивированые земли использовались для лесоразведения, организации зон отдыха, и лишь незначительная часть передавалась для сельскохозяйственного использования [Restoring ..., 1968].
12
Планированием природоохранных мероприятий и управлением природными ресурсами США ведает ряд федеральных министерств, которые особое внимание уделяют вопросам охраны природных ресурсов и их рационального использования [Фокина, 1971].
В настоящее время для восстановления нарушенных земель в США используют в основном технологии рекультивации с отсыпкой ранее снятых плодородных слоев почв или без отсыпки, обходясь только планировкой поверхности нарушенных земель, но с обязательным последующим посевом смесей многолетних трав для предотвращения развития эрозионных процессов. В некоторых случаях проводят гидропосев или посев семян многолетних растений с самолета.
В европейских странах в связи с общим сокращением площади сельскохозяйственных угодий и уменьшением доли пашни на душу населения наибольшее значение приобретает именно сельскохозяйственное направление рекультивации, поэтому там, где имеются необходимые условия создания сельскохозяйственные угодья различного вида использования (пашни, сенокосы, пастбища и т.д.). Так, в Германии где, рекультивируются практически все нарушенные земли, более 50 % восстановленных земель используются для сельскохозяйственного производства. При этом применяются различные технологии рекультивации, как с нанесением ППП и ПСП, так и без их нанесения, с использованием многолетних трав, а на фитотоксичных (в основном сульфидсодержащих) породах путем химической мелиорации при помощи извести и буроугольной золы [Вriming, 1962; Illner, Lorenz, 1965].
В Венгрии, Румынии, Болгарии большое внимание уделялось созданию растительного покрова на потенциально плодородных породах без нанесения ПСП. В таких технологиях рекультивации предусматривалось внесение повышенных доз органических и минеральных удобрений и посевом в мелиоративный период многолетних трав.
В Польше и Чехословакии основным направлением восстановления нарушенных земель стало создание на этих территориях лесных насаждений
13
с целью «оздоровления» нарушенных природных ландшафтов, улучшения санитарно-гигиенической обстановки в промышленных районах [Грешта, 1966; Stysakol., 1981].
В Англии накоплен большой опыт проведения рекультивационных работ на террикониках и отвалах шахтных пород, попытки залесения которых, начаты в 1921 году [Geffrey, Maybury, Levinge, 1975]. В настоящее время основным способом рекультивации в Англии считается создание сенокосно-пастбищных угодий в сочетании с рекреационными участками с водоемами и посадками декоративных лесных насаждений.
В Китае ранее работы по рекультивации не проводились. Основные площади нарушенных земель оставлялись под естественное зарастание. Однако и здесь в последние десятилетия ведутся разработки быстрых и эффективных технологий рекультивации земель. При этом наиболее эффективным способом является нанесение на поверхность отвалов ПСП. При отсутствии ресурсов ПСП возможно применение и других технологий рекультивации с внесением удобрений, извести и использования других почвоулучшителей, способствующих развитию фитоценозов на нарушенных землях. При этом подчеркивается, что после проведения рекультивационных мероприятий необходимо независимо от примененной технологии давать оценку успешности метода рекультивации [Xia Hanping, Cai Xi, 2002].
Таким образом, как показал обзор литературы, за рубежом работы по рекультивации нарушенных территорий в начале были направлены в основном на создание сельскохозяйственных угодий и лесных насаждений. Однако в последние годы в этих странах стали большее внимание уделять и экологической составляющей. В настоящее время все чаще рекультивационные мероприятия проводят комплексно, т.е. к каждому объекту разрабатывается свой проект рекультивации, в котором предусмотрены различные направления и технологии рекультивации, позволяющие создавать на нарушенных землях территории, местообитания с различными режимами пользования.
14
В СССР первые попытки озеленения террикоников были предприняты в начале 50-х годов прошлого столетия в Донбассе. В этой первой работе по рекультивации было установлено, что условия для развития растительности очень неблагоприятны и только некоторые виды растений могут развиваться на поверхности террикоников [Шалыт, Костомаров, 1950; Кобезский, 1957].
Во второй половине 50-х годов в СССР в области рекультивации нарушенных промышленностью земель начинают работать первые 2-3 научных коллектива. Одним из первых научных коллективов занимающихся проблемой рекультивации нарушенных земель были сотрудники Уральского университета. С конца 50-х годов они проводили опыты по озеленению околозаводских и внутризаводских территорий. При этом установлено значительное негативное влияние «бросовых» земель, возникающих в результате производственной деятельности предприятий. Радикальным средством устранения негативных последствий является покрытие таких земель растительностью, создание на них культурных фитоценозов [Тарчевский, 1964, 1967, 1970; Горчаковский, Мамаев, Николаевский, 1968; Пикалова, 1968; Чибрик, 2002].
За время проведения исследований на Урале сотрудниками Уральского университета, Уральского ботанического сада и Института горного дела изучены различные виды техногенно нарушенных земель, установлены закономерности естественного зарастания, получены почвенные и агрохимические характеристики субстратов отвалов, золо- и шламохранилищ, а так же разработаны и внедрены ряд технологий рекультивации, направленных на озеленение техногенных ландшафтов [Колесников, 1974; Махонина, Чибрик, 19746; 1975; Шилова, Логинова, 1974; Шилова, Терехова, Лукянец, 1980; Чибрик, Батурин, 2003].
С начала 60-х годов исследования по изучению техногенных ландшафтов Подмосковного бассейна начали интенсивно проводится сотрудниками Центральной лаборатории охраны природы МСХ СССР и Подмосковного научно-исследовательского угольного института. При разработке месторождений в Подмосковном бассейне в большинстве случаев на поверхность вы-
15
носятся сульфидсодержащие породы, которые характеризуются высокой фи-тотоксичностью. Поэтому для рекультивации таких объектов впервые в СССР были разработаны технологии с применением извести и экранирующего слоя карбонатного суглинка [Овчинников, 1966; Моторина, Зайцев, Савич, 1969; Моторина, Зайцев, Маркин и др., 1971]. На территории Подмосковного бассейна впервые стали осуществляться комплексные работы по рекультивации с участием специалистов различных профилей: горняков, лесоводов, почвоведов, агрохимиков, ботаников и др. Это позволило испытать различные технологии и разработать определенную систему организации рекульти-вационных работ [Овчинников, 1970; Моторина, Зайцев, Ижевская, и др, 1969; Моторина, Зайцев, Чеклина и др, 1970; Моторина, 1972; Моторина, Ов-чинников,1975].
На Украине глубокие и планомерные исследования по рекультивации нарушенных земель проводят сотрудники Днепропетровского сельскохозяйственного института и Днепропетровского университета, Донецкого ботанического сада, а также некоторые другие научных коллективы. Здесь на больших рекультивированных территориях проводились исследования по созданию почвоподобных образований (техноземов) с различной мощностью отсыпаемого горизонта ПСП, а также проводились работы по определению потенциального плодородия основных вскрышных и вмещающих пород, складируемых в отвалах различных месторождений полезных ископаемых расположенных на территории Украины. В результате были разработаны различные технологии рекультивации и определена степень пригодности выносимых на дневную поверхность пород для биологической рекультивации [Бе-каревич, Масюк, Узбек, 1969; Рева, Бакланов, 1972; Масюк, 1974; 1975; Эко-лого-экономические аспекты, 1980; Етеревская и др., 1982].
В 1975 г. создается Всесоюзный НИИ охраны окружающей среды на основе Пермского НИИ угля. В институте созданы отделы охраны атмосферы, водных и земельных ресурсов и др. Одним из основных отделов института является отдел рекультивации нарушенных земель. ВНИИОСуголь - от-
16
раслевой институт, решающий задачи прикладного характера. В это время он становится головным институтом, курирующим проблемы рекультивации в угольной промышленности [Красавин, Васильков, Шауфер, 1975; Красавин, 1991; Малышенко, Каплунов, Красавин и др.,1992]. С 1975 по 1995 год институтом выполнены десятки научно-практических работ практически во всех угледобывающих районах СССР. Результатом этих работ можно считать разработку временных методических указаний по рекультивации нарушенных земель [Временные ..., 1980].
В Центральной Черноземной зоне проблемами рекультивации занимаются сотрудники Курского сельскохозяйственного института, Воронежско-кого университета и сельскохозяйственного института и некоторые другие научные коллективы. В этой зоне при разработке месторождений полезных ископаемых нарушаются самые ценные почвы - черноземы, поэтому здесь обязательным условием ведения горных разработок является снятие плодородного слоя почвы с последующим его использованием в целях биологической рекультивации. Изменению свойств ПСП в процессе проведения ре-культивационных мероприятий посвящены основные работы [Стифеев, 1972; Бурыкин, Стифеев, 1973; Адерихин и др., 1978; Бурыкин, 1976, 1985]. Также здесь большое внимание уделяется изучению процессов самовосстановления и лесного направления рекультивации [Панков, 1973].
В 70-х годах начинается интенсивное освоение нефтяных месторождений Севера. Естественно, разработка этих месторождений влечет за собой значительные изменения условий функционирования природных экосистем, а в некоторых случаях - коренное нарушение почвенного и растительного покровов. В настоящее время техногенное воздействие на северные экосистемы достигло такого уровня, что вызывает серьезную обеспокоенность многих исследователей и экологических организаций [Солнцева, 1988; Капелькина, 1988; Мазур, 1993; Проблемы обеспечения..., 1995; Проблемы экологии..., 1995; Арчегова, 1998; и др.]. Проблема сохранения экосистем и рекультивации техногенных ландшафтов приобретает в связи с этим чрезвычайную актуальность. Изучением нарушенных земель и разработ-
17
кой технологий рекультивации на Севере занимаются достаточно много исследователей различных научных и научно-производственных учреждений.
Большой вклад в эту работу внесли сотрудники Коми НЦ и Уральского отделения РАН, Московского и Санкт-Петербургского университетов, Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра Экологической безопасности, Западно-Сибирского филиала Института леса и древесины СО РАН и др. Условия проведения работ заставили разрабатывать новые технологии рекультивации и подбирать виды растений, способных произрастать в этих условиях. На Севере главной задачей рекультивационных работ считается ликвидация очагов неблагоприятного воздействия на окружающую среду, улучшение эстетического вида местности и ландшафта пригородных зон [Колесников, Моторина, 1976; Панов, Петряшин, Лысяный, 1986; Гриценко, Акопова, Максимов, 1997 и др.].
Одним из наиболее распространенных способов биологической рекультивации является травосеяние. Выбор видов трав, используемых для восстановления почвенно-растительного слоя на нарушенных землях в северных регионах, основывается на их экобиологических особенностях: зимостойкости, засухоустойчивости и т.д. Проведенные исследования показали, что многие виды (преимущественно злаков) пригодны для биологической рекультивации [Арчегова, 1972; Арчегова и др., 1994; Крючков, 1994; Ло-бовиков, Лобовикова, 1994;]. При данном способе рекультивации рекомендуется предварительно наносить плодородный слой почвы или органогенный материал (торф, различные виды компостов и т.д.), вносить минеральные удобрения и при необходимости известь. Однако значительные трудозатраты и высокая стоимость семенного материала, высокое количество применяемых минеральных и органических удобрений, малая мощность плодородного слоя естественных почв, а также низкая устойчивость созданных фи-тоценозов ограничивают применение травосеяния в северных регионах. Тем не менее при рациональном использовании местных природных ресурсов рекультивации и применении широко распространенных травянистых культур в неко- |
