Исследование условий формирования и характеристик лесных экосистем в отработанных щебеночных карьерах в Красноярском крае

УДК 622.85:622.271.45:550.814 © И.В. Зеньков, И.М. Барадулин, 2018

Исследование условий формирования

и характеристик лесных экосистем в отработанных щебеночных карьерах в Красноярском крае*

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-1-81-83

ЗЕНЬКОВ Игорь Владимирович

Доктор техн. наук, Заслуженный эколог РФ, Институт вычислительных технологий СО РАН, профессор ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», 660041, г. Красноярск, Россия e-mail: zenkoviv@mail.ru

БАРАДУЛИН Илья Михайлович

Аспирант

ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», 660041, г. Красноярск, Россия

В статье представлены результаты многолетнего экологического мониторинга характеристик молодых экосистем, сформированных в действующих и отработанных щебеночных карьерах. Установлены уровни среднегодовых темпов прироста стволовой части сосны, а также исследовано влияние основных факторов на этот показатель. Представлены зависимости годовых темпов прироста сосны от географической ориентации нерабочих бортов карьеров и мощности продуктивной техногенной смеси, содержащей гумус и нанесенной на участки межуступных площадок карьеров с древесно-кустарниковой растительностью. Ключевые слова: открытые горные работы, щебеночные карьеры, ориентация нерабочего борта карьера, экологические показатели, техногенная продуктивная смесь, лесные экосистемы.

ВВЕДЕНИЕ

На территории Красноярского края масштабное производство щебня началось в ходе строительства Транссибирской железной дороги в конце XIX века. К настоящему времени объем добычи нерудных горных пород

* Работа выполнялась в соответствии с Программой фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 гг. и планом научно-исследовательских работ ИВТ СО РАН на 2017-2020 гг. согласно проекту «Теоретические основы, алгоритмическое обеспечение и информационные технологии для решения фундаментальных и прикладных задач исследования сложных техногенных, природных и биологических систем».

для производства строительного и дорожного щебня существенно увеличился. В отработанных щебеночных карьерах архитектура горнопромышленного ландшафта представлена межуступными площадками и откосами нерабочих уступов. В них со временем формируется лесная экосистема путем самозаселения представителей смешанного леса или черневой тайги, находящихся вблизи карьеров. Считаем актуальным решение задач, связанных с изучением экологических проблем, неизбежно возникающих на землях с техногенными нарушениями при формировании растительных экосистем. Обзор зарубежной специальной литературы подтвердил актуальность наших работ, поскольку аналогичные исследования проводятся на территории всех континентов нашими коллегами - промышленными экологами [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

В ходе полевых экспедиций, проведенных в период с 2012 по 2017 г. на двух карьерах, находящихся в западном направлении от пос. Зыково, на карьере по добыче доломита вблизи с. М. Кускун, на карьерах по добыче гранита вблизи пос. Громадский и на территории закрытого административного образования г. Зеленогорск, получены результаты, представленные ниже.

Годовые темпы прироста измерялись на соснах, поскольку в структуре смешанного леса этот вид занимает более 60% от количества всех деревьев, произрастающих в карьерах. К тому же именно на сосне расстояние между ярусами ветвей замеряются быстро и просто [8]. По результатам дистанционного мониторинга установлено, что наибольшие площади участков с древесно-кустарниковой растительностью находятся на нерабочих бортах, ориентированных географически на запад и север, и наоборот, на участках нерабочих бортов, ориентированных на юг и восток, отмечены минимальные размеры участков с лесной экосистемой [9]. В этой связи, вся генеральная совокупность исследуемых деревьев, включающая 562 сосны, была условно поделена на четыре части (по ориентации нерабочих бортов), каждая из которых представлена в виде самостоятельного вариационного ряда. Совокупности в выделенных рядах были разбиты дополнительно на группы, значения

s

и «

&

о с.

5

6

признаков в которых были объединены в интервалы. В каждом ряду определены значения моды, модального интервала, а также установлен средний уровень ряда.

На участках восточных нерабочих бортов, обращенных на запад, обследовано 192 сосны. Минимальное и максимальное значение в этом вариационном ряду находятся на уровне 33 и 48 см (см. рисунок).

На участках южных нерабочих бортов, обращенных на север, обследовано 198 сосен. Минимальное и максимальное значения в этом вариационном ряду находятся на уровне 38 и 50 см. На участках западных нерабочих бортов карьеров, обращенных на восток, обследовано 88 сосен. Минимальное и максимальное значения в этом вариационном ряду находятся на уровне 27 и 42 см. На участках северных нерабочих бортов, обращенных на юг, обследовано 84 сосны. Минимальное и максимальное значения в этом вариационном ряду находятся на уровне 24 и 36 см.

Статистическая обработка вариационных рядов указала на наличие тесной и весьма тесной связи между годовыми темпами прироста сосны и географической ориентацией места произрастания в карьере.

После сопоставления полученных результатов прироста сосны на участках нерабочих бортов во всем диапазоне их географической ориентации был сделан вывод о том, что место произрастания деревьев оказывает значительное влияние на уровень этого показателя [10]. Аналогичный вывод сделан о значимости мощности техногенной продуктивной смеси, нанесенной на исследуемые участки.

Сравнительный анализ показал, что максимальные приросты сосны зафиксированы на участках южных бортов, обращенных на север, где средний уровень показателя составил 44,5 см. Немного ниже, в среднем на 11%, темпы прироста наблюдаются на участках восточных нерабочих бортов. Невысокие показатели на уровне 35 см отмечены на участках западных нерабочих бортов, обращенных на восток. Самые низкие темпы, на уровне 30 см, в 1,5 раза ниже, чем на южных бортах, зафиксированы на северных бортах карьеров, где в ясную погоду склоны прогреваются до 50-600С.

При изменении мощности техногенной продуктивной смеси в среднем с 12,5 см до 1 м и более среднегодовой темп прироста деревьев увеличивался на 42% и 22% на участках нерабочих бортов, ориентированных соответственно на запад и север. При изменении мощности смеси в аналогичном диапазоне среднегодовой темп прироста деревьев увеличивается на 40% на участках нерабочих бортов с другой меридионально-широтной ориентацией. Таким образом, в ходе решения экологических задач на территории щебеночных карьеров в центральных районах Красноярского края были получены новые знания о формировании в них лесных экосистем.

2

Р »

о га о

! ш S

3

Q,

и

ориентация борта ориентация борта ориентация борта ориентация борта на запад на север на восток на юг

-* мощность техногенной смеси от 0 до 0,25 м

мощность техногенной смеси от 0,251 до 0,5 м *• мощность техногенной смеси от 0,51 до 0,75 м "* мощность техногенной смеси от 0,751 до 1,0 м мощность техногенной смеси более 1,0 м

Изменение среднегодовых темпов прироста сосны в щебеночных карьерах в зависимости от ориентации бортов и мощности техногенной смеси Fig. Pine growth annual rates dependence on quarries non-mining flanks geographical orientation and humus containing productive technogenic mix thickness

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, на основе анализа результатов многолетних полевых исследований установлены два важнейших фактора техногенного характера, оказывающие существенное влияние на условия появления и дальнейшего развития лесной экосистемы в отработанных щебеночных карьерах. Выявленные закономерности должны учитываться при формировании технического задания на проектирование горных работ по разработке и рекультивации месторождений общераспространенных полезных ископаемых, что позволит после завершения горных работ ускорить формирование экологического баланса в отработанных карьерах.

Сп исок литературы

1. Cusser S., Goodell K. Diversity and Distribution of Floral Resources Influence the Restoration of Plant-Pollinator Networks on a Reclaimed Strip Mine // Restoration Ecology. 2013. Vol. 21(6). Pp. 713-721.

2. Sena K., Barton C., Hall S., Angel P., Agouridis C., Warner R. Influence of spoil type on afforestation success and natural vegetative recolonization on a surface coal mine in Appalachia, United States // Restoration Ecology. 2015. Vol. 23(2). Pp. 131-138.

3. Ngugil M.R., Neldner V.J., Doley D., Kusy B., Moore D., Richter C. Soil moisture dynamics and restoration of self-sustaining native vegetation ecosystem on an open-cut coal mine // Restoration Ecology. 2015. Vol. 23(5). Pp. 615-624.

4. Boldt-Burisch K., Naeth M. A., Schneider B., Huttl R.F. Linkage between root systems of three pioneer plant species and soil nitrogen during early reclamation of a mine site in Lusatia, Germany // Restoration Ecology. 2015. Vol. 23(4). Pp. 357-365.

82

ЯНВАРЬ, 2018, "УГОЛЬ"

5. Gilland K.E., McCarthy B.C. Microtopography Influences Early Successional Plant Communities on Experimental Coal Surface Mine Land Reclamation // Restoration Ecology. 2014. Vol. 22(2). Pp. 232-239.

6. Laarmann D., Korjus H., Sims A., Kangur A., Kiviste A., Stanturf J. A. Evaluation of afforestation development and natural colonization on a reclaimed mine site // Restoration Ecology. 2015. Vol. 23(3). Pp. 301-309.

7. Prach K., Karesova P., Jirova A., Dvorakova H., Konvalinkova P., Rehounkova K. Do not neglect surroundings in restoration of disturbed sites // Restoration Ecology. 2015. Vol. 23(3). Pp. 310-314.

8. Зеньков И.В., Барадулин И.М. Экологическая оптимизация в технологиях разработки месторождений строи-

тельного щебня // Экология и промышленность России. 2015. Т. 19. № 3. С. 40-44.

9. Зеньков И.В., Барадулин И.М., Юронен Ю.П. Дистанционное зондирование в инженерно-информационном обеспечении рекультивации щебеночных карьеров на территории Красноярского края и Иркутской области // Экология и промышленность России. 2016. Т. 20, № 4. С. 16-21.

10. Зеньков И.В., Барадулин И.М. Обоснование конструкции нерабочих бортов щебеночных карьеров с учетом экологических целей // Уголь. 2016. № 3. С. 89-91. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/032016.pdf (дата обращения 15.12.2017).

ECOLOGY

UDC 622.85:622.271.45:550.814 © I.V. Zenkov, I.M. Baradulin, 2018

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 1, pp. 81-83 Title

STUDY RESULTS OF VEGETATION EMERGENCE AND FORMATION IN DEPLETED CRUSHED STONE QUARRIES IN KRASNOYARSK KRAI

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-1-81-83

Authors

Zenkov I.V.1, 2, Baradulin I.M.2

1 Special Design and Technological Bureau "Nauka" of Institute computational technology of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (SDTB "Nauka" ICT SB RAS), Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation

2 Federal State-Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education (FSAEI HPE) Siberian Federal University, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

Authors' Information

Zenkov I.V., Doctor of Engineering Sciences, Merited Ecologist of the Russian Federation, Professor, e-mail: zenkoviv@mail.ru Baradulin I.M., Postgraduate

Abstract

The article presents the results of long-term environmental monitoring of young ecosystems. formed in active and abandoned crushed stone quarries. Pine stem part average annual growth values are established, and the main factors effect on this indicator are investigated. Pine growth annual rates dependence on quarries non-mining flanks geographical orientation and thickness of humus containing productive technogenic mix, deposited on quarries interstation sites arboreal and shrub vegetation are presented. Figures:

Fig. Pine growth annual rates dependence on quarries non-mining flanks geographical orientation and humus containing productive technogenic mix thickness

Keywords

Surface mining, Ballast quarries, Disturbed land reclamation, Technogenic soil mix, Vegetation ecosystems, Soil layer productivity.

References

1. Cusser S. & Goodell K. Diversity and Distribution of Floral Resources Influence the Restoration of Plant-Pollinator Networks on a Reclaimed Strip Mine. Restoration Ecology, 2013, Vol. 21(6), pp. 713-721.

2. Sena K., Barton C., Hall S., Angel P., Agouridis C. & Warner R. Influence of spoil type on afforestation success and natural vegetative recolonization on a surface coal mine in Appalachia, United States. Restoration Ecology, 2015, Vol. 23(2), pp. 131-138.

3. Ngugil M.R., Neldner V.J., Doley D., Kusy B., Moore D. & Richter C. Soil moisture dynamics and restoration of self-sustaining native vegetation ecosystem on an open-cut coal mine. Restoration Ecology, 2015, Vol. 23(5), pp. 615-624.

4. Boldt-Burisch K., Naeth M.A., Schneider B. & Huttl R.F. Linkage between root systems of three pioneer plant species and soil nitrogen during early

reclamation of a mine site in Lusatia, Germany. Restoration Ecology, 2015, Vol. 23(4), pp. 357-365.

5. Gilland K.E. & McCarthy B.C. Microtopography Influences Early Successional Plant Communities on Experimental Coal Surface Mine Land Reclamation. Restoration Ecology, 2014, Vol. 22(2), pp. 232-239.

6. Laarmann D., Korjus H., Sims A., Kangur A., Kiviste A. & Stanturf J.A. Evaluation of afforestation development and natural colonization on a reclaimed mine site. Restoration Ecology, 2015, Vol. 23(3), pp. 301-309.

7. Prach K., Karesova P., Jirova A., Dvorakova H., Konvalinkova P. & Rehounkova K. Do not neglect surroundings in restoration of disturbed sites. Restoration Ecology, 2015, Vol. 23(3), pp. 310-314.

8. Zenkov I.V. & Baradulin I.M. Ekologicheskaya optimizatsiya v tekhnologi-yah razrabotki mestorozhdeniy stroitelnogo shchebnya [Environmental optimization in crushed stone fields development technologies]. Ekologiya i promyshlennost Rossii - Environment and Industry of Russia, 2015, Vol. 19, No. 3, pp. 40-44.

9. Zenkov I.V., Baradulin I.M. & Yuronen Yu.P. Distantsionnoe zondirovanie v inzhenerno-informatsionnom obespechenii rekultivatsii shchebenochnyh karerov na territorii Krasnoyarskogo kraya i Irkutskoy oblasti [Remote probing in engineering and information support of the crushed stone quarries reclamation in Krasnoyarsk Krai and Irkutsk region]. Ekologiya i promyshlennost Rossii - Environment and Industry of Russia, 2016, Vol. 20, No. 4, pp. 16-21.

10. Zenkov I.V. & Baradulin I.M. Obosnovanie konstruktsii nerabochikh bortov shchebenochnykh kar'erov s uchetom ekologicheskikh tseley [Ballast quarry nonmining bank design substantiation with account for environmental targets]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2016, No. 3, pp. 89-91. Available at: http:// www.ugolinfo.ru/Free/032016.pdf (accessed 15.12.2017).

Acknowledgments

The work was performed in line with the 2013-2020 Program of Fundamental Scientific Research of the State Academies of Sciences and 2017-2020 scientific research plan of ICT SB RAS within the scope of the project "Theoretical bases, algorithmic support and information technologies for solving fundamental and applied problems of complex technogenic, natural and biological systems research".