Интегральный показатель состояния нарушенных земель после добычи угля

УДК 581.524.5 А.Н. Куприянов, Ю.А. Манаков

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ СОСТОЯНИЯ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ПОСЛЕ ДОБЫЧИ УГЛЯ

Разработан интегральный показатель состояния нарушенных земель (Z), позволяющий оценить потенциал восстановления экосистем и необходимость проведения рекультивационных мероприятий для конкретного участка. Интегральный показатель подсчитывается по формуле, учитывающей сумму баллов по наиболее важным показателям: орографический фактор (Of), потенциальное плодородие (Pl), рыхлость эмбриоземов (D), влажность субстратов (H), стадии сукцессии (Su), коэффициент сходства Съерсена-Чекановского (Sch), индекс поврежденности древостоя (Dv), которая умножается на климатический коэффициент (Kk), равный показателю увлажнения.

Ключевые слова: нарушенная земля, экосистема, рекультивация, потенциал восстановления.

A.N. Kupriyanov, Yu.A. Manakov

INTEGRATED PARAMETER OF THE DISTURBED LAND CONDITION AFTER COAL MINING WORK

The integrated parameter of the disturbed land condition (Zi) which allows to estimate the ecosystem restoration potential and the recultivation action necessity for the concrete site is developed. The integrated parameter is calculated according to the formula, taking into account a score on the most important parameters such as the oro-graphical factor (Of), potential fertility (Pl), embryozem friability (D), substrate humidity (H), succession stages (Su), factor of similarity by Syersen-Chekanovskiy (Sch), forest stand damage index (Dv) which is multiplied by the climatic factor (Kk), equal to the humidifying parameter.

Key words: disturbed land, ecosystem, recultivation, restoration potential.

Добыча угля неизбежно сопровождается разрушением природных экосистем и заменой их на техногенно производные. Оценка состояния нарушенных земель по сравнению с ненарушенными в настоящее время проводится по отдельным параметрам: эволюционному состоянию эмбриоземов [1], состоянию растительного покрова [2], агрофизическим и агрохимическим свойствам пород, слагающих отвалы [3]. Односторонний подход к состоянию нарушенных земель не дает целостного представления о состоянии техногенных местообитаний на отвалах для последующей рекультивации. Поэтому очень важно иметь комплексный критерий для индикации состояния нарушенных земель, учитывающий наиболее важные экологические условия.

Климат Кемеровской области характеризуется резкой континентальностью, большой изменчивостью погоды, суровой зимой с устойчивыми низкими отрицательными температурами воздуха, частыми ветрами значительных скоростей, снегозаносами, интенсивной солнечной радиацией в оба сезона года и сравнительно жарким летом [4].

Для количественной оценки климата, как одного из факторов потенциальной продуктивности нарушенных угледобычей земель, нами использован гидротермический коэффициент С.Т. Селянинова, который характеризует отношение суммы осадков к средней годовой температуре воздуха. С учетом гидротермического коэффициента увлажнения установлен показатель увлажнения данной природной зоны, который показывает степень обеспеченности растительности атмосферной влагой без учета непродуктивного поверхностного стока. Согласно этому показателю в Кемеровской области, за исключением степных участков, формируются благоприятные условия для роста растений (табл. 1).

Таблица 1

Природно-климатические показатели горно-экономических районов

Природная зона или преобладающий ландшафт Г одовое кол-во осадков, мм Среднегодовая температура, °С Г идротермиче-ский коэффициент (по Селини-нову) Показатель увлажнения К Горно- экономический район

1 2 3 4 5 6

Южная лесостепь с фрагментами степей 300-350 ,3 ,0 От до 0,8-1,0 0,85 Беловский

«Островная» лесостепь и лесостепь Кузнецкой котловины 350-400 От 0 до +1 1,0 Прокопьевско- Киселевский, Ерунаковский

Окончание табл. 1

1 2 3 4 5 6

Северная лесостепь предгорий 400-500 От +0 до +0,5 1,0-1,05 1,25 Кемеровский

Леса предгорий и зоны подтайги 500-600 От +0,5 до -1,0 1,5-1,8 1,5 Бунгуро-Чумышский, Анжерский, Осин-никовский

Черневая тайга низко-горий Горной Шории, Кузнецкого Алатау 600-800 От -1 до -1,5 1,8-2,0 2,0 Томь-Усинский, Барзасский

Среднегорная тайга Кузнецкого Алатау 800-1300 От -1,5 до -2,5 2,0-3,0 2,7 Часть Томь-Усинского

Очень важное индикационное значение имеет потенциальное плодородие техногенных элювиев [1]. По гранулометрическому составу мелкозем горных пород, слагающих отвалы угольных разрезов, относится к суглинкам (от средних до тяжелых), местами - к легким глинам. Однако физические свойства горных пород - водопроницаемость, аэрация, устойчивость против эрозии - не соответствуют таковым у зональных почв с аналогичным мехсоставом. Это вызвано высокой каменистостью элювиев этих пород. Содержание грубообломочного материала, представленного неразложившимися фрагментами горной породы, достигает 90%, причем каменистость грунтов возрастает с глубины 20 см, что объясняется замедлением процесса выветривания в толще отвалов. Даже на старых отвалах, образовавшихся более 25 лет назад, на глубине более 20 см встречаются куски горной породы, сохраняющие свою форму и монолитность. Каменистость грунтов отвалов придает им свойства грунтов легкого гранулометрического состава - высокую водопроницаемость и аэрацию.

Инициальные эмбриоземы, состоящие из алевролитов с примесью карбонатных суглинков, характеризуются слабощелочной реакцией почвенной среды: рН водн =7,6-8,1. Содержание подвижных форм азота низкое: 1,1-2,9 мг/100 г. Содержание подвижного фосфора колеблется в пределах от 0,5 до 13,2 мг/100 г. Содержание калия более равномерное по всем площадям: 6,0 - 19,5 мг/100 г. Валовые запасы элементов питания варьируют в пределах: азот - 0,05-0,31 %; фосфор - 0,29-0,62 %, калий - 0,63-0,96 %. Емкость поглощения грунтов сравнительно высокая: 21,8-44,5 мг-экв. на 100 г, что обусловлено суглинистым характером мелкоземных фракций [5].

По агрохимическим и физическим свойствам основных пород и эмбриоземов установлены оценочные баллы [3]: плодородные (пригодные для биологической рекультивации без всякого улучшения) - более 70 баллов; потенциально плодородные, но бедные азотом - от 30 до 70 баллов; малоплодородные (пригодные для биологической рекультивации после улучшения) - 10-30 баллов; потенциально токсичные (не пригодные для биологической рекультивации без коренного улучшения) - менее 10 баллов.

Влажность субстрата является одним из важнейших факторов, влияющим на скорость зарастания, восстановления и функционирования техногенно производных экосистем [6-8].

По режиму увлажнения выделено 4 типа местообитаний: сухие, свежие, влажные, сырые. Сухие отмечаются на остроконечных вершинах отвалов, на крутых откосах южных экспозиций, на высоких отвалах (плоских и конических), сложенных из песчаников или скальных пород, плохо подвергающихся выветриванию. Свежий режим увлажнения преобладает на плоских отвалах из суглинков, аргиллитов и алевролитов, на откосах отвалов северных и восточных румбов с благоприятным режимом снегонакопления, в нижней части западных и южных откосов. Влажные - бессточные котловины, а также полосы у подножья отвалов северных и восточных склонов. Сырые - формируются по берегам образовавшихся постоянных водоемов, питаемых грунтовыми водами или поверхностным стоком. Сухие и сырые местообитания менее пригодны для целей биологической рекультивации, чем свежие и влажные.

Формирование растительности на нарушенных промышленных землях в процессе самозарастания является результатом сложного взаимодействия зонально-климатических и конкретных экологических условий, таких, как свойства субстратов, микрорельеф и др., при решающей роли окружающей естественной растительности, являющейся источником заноса диаспор.

Значительная индикаторная роль отводится стадиям сингенетической сукцессии [2, 9]. На отвалах Кузбасса выделены 4 стадии формирования растительного покрова: пионерная, простой фитоценоз, сложный фитоценоз, зональный фитоценоз [10].

Пионерная группировка отличается низким проективным покрытием (5-15%). Растения распределены по площади разрознено и не образуют фитосреды. Число видов 5-10 (до 25). Участие видов зональной флоры незначительно.

На стадии простого фитоценоза проективное покрытие больше 15%, количество видов 10-30. Доминируют виды с широкой экологической амплитудой.

На стадии сложного фитоценоза происходит образование сомкнутого растительного покрова, емкость луговых фитоценозов составляет - 20-25 видов, лесных 30-35 видов; в растительном покрове доминируют виды зональных фитоценозов.

Зональный фитоценоз характеризуется сложной парцеллярной структурой и соответствует типичным зональным и интразональным фитоценозам. Вследствие относительной молодости отвалов эта стадия на отвалах Кузбасса не обнаружена.

Большое индикаторное значение приобретают не только сукцессионная продвинутость растительных сообществ, но и их структурность и приближенность к естественным фитоценозам. Исследования показали, что отвалы могут быть прибежищем многих редких видов, являющимися индикаторами естественных сообществ, например, Platantera bifolium или Dactylorchyza incarnata, включенных в Красную книгу Кемеровской области, их плотность на отвалах в некоторых местах очень высокая. Однако этот факт не может свидетельствовать о соответствии растительных группировок, складывающихся на отвалах, естественным сообществам. Поэтому наиболее объективным критерием мы считаем использование коэффициента сходства Съе-ренсена-Чекановского [11, 12].

Индикаторами воздействия горно-добывающих работ на древесную растительность выступают иные показатели, нежели для травянистой растительности. В связи с долголетием деревьев изменение видового состава (смена пород) происходит за весьма длительный период, исчисляемый многими десятилетиями [5].

Для оценки степени поврежденности древостоев деревьям разных категорий состояния придают различные коэффициенты. Так, здоровому, неповрежденному дереву соответствует - 0 %; поврежденному (ослабленному) - 30 %; сильно поврежденному - 60 %; усыхающему - 95 %; сухостою - 100 %.

Критерием оценки воздействия угледобычи на древесную растительность является степень повреж-денности (деградации) лесонасаждений, определяемая по шкале категорий жизненного состояния деревьев, по формуле

30V2 + 60V3 + 95V4 + 100V5

v- v >

где Dv - индекс поврежденности древостоя;

V2 ,V3 1V4 V5 - объем древесины поврежденных, сильно поврежденных, усыхающих деревьев и свежего сухостоя на пробной площади, м3;

30, 60, 95, 100 - коэффициенты, выражающие поврежденность (в %) разных категорий деревьев;

V - общий запас древесины на пробной площади.

При показателе Dv меньше 20% древостой считают здоровым; при 20- 49 % - поврежденным; при 5070 % - сильно поврежденным; при 80 % и более - разрушенным.

Экологические факторы не равноценны, они подчиняются закону Либиха, и если один из них находится в минимуме, то создается экстремальная обстановка для всей экосистемы в целом. На отвалах присутствует высокая каменистость субстрата и вызванная этим его низкая влагоемкость. Даже при благоприятных климатических условиях растения плохо обеспечены влагой. Темноцветные углесодержащие грунты создают на поверхности летальный для всходов растений температурный режим при достаточном содержании элементов минерального питания. Крутые откосы отвалов из глинистых пород подвержены эрозии, и даже при потенциально плодородных грунтах и достаточной влажности естественное зарастание таких элементов рельефа происходит плохо.

По наиболее главным показателям предлагается балльная шкала, основанная на данных визуальных наблюдений и изучения флористического состава (табл. 2).

Таблица 2

Интегральный показатель состояния нарушенных земель

Показатель Содержание Балл

Орографический фактор

Пологий рельеф 0-10° 3

Средняя крутизна 10-20° 2

Крутые склоны Более 20° 1

Потенциальное плодородие

Плодородные Лессовидные карбонатные лессы, а также складированные в отвалы природные почвы 3

Потенциально пригодные Техногенные элювии алевролита песчаного, алевролита мелкозернистого, глина алевролитовая, глина карбонатная 2

Малопригодные Элювии песчаников: полимиктового, гематизиро-ванного алевролитистого; пирогенный конгломерат, кальцитовая бурая глина. Элювии песчаников являются по мехсоставу песками и супесями, не подвержены сильному уплотнению. Уплотнение каль-цитовой бурой глины превращает ее в непригодную породу. Пиритосодержащие горные породы, а также твердые скальные породы, не подвергающиеся физическому выветриванию 1

Рыхлость эмбриоземов

Рыхлые Порозность 40-60% 2

Средне плотные Порозность 20-40% 3

Плотные Порозность менее 20% 1

Влажность субстратов

Сухие 1

Свежие 2

Влажные 3

Сырые 1

Стадии сукцессии

Сложный фитоценоз Критериями выделения этой стадии являются: образование сомкнутого растительного покрова; емкость фитоценозов - от 20 до 50 видов; доминирование в растительном покрове видов зональной флоры 3

Простой фитоценоз Характерно образование бурьянистых сообществ, которые образуют виды с активным семенным и вегетативным размножением. ОПП здесь может достигать 100%. Существенно повышается число видов, усложняется вертикальная структура сообществ. За счет формирования на этой стадии фитосреды и улучшения условий биотопа происходит массовое поселение не только рудералов, но и видов зональных фитоценозов. Таким образом, диагностическими критериями 2 стадии будут: проективное покрытие выше 15%; количество видов чаще всего от 10 до 30 видов (иногда может достигать и 40 видов); доминирование видов с широкой экологической амплитудой 2

Окончание табл. 2

1 2 3

Пионерная группировка Отличается низким проективным покрытием, обычно не превышающим 5-15%. Растения располагаются по площади разрозненно и единично. Число видов в пионерной группировке обычно равно 5-10, хотя в благоприятных местообитаниях на хорошо выветрелом субстрате может достигать 25 и более. Участие видов зональной флоры незначительно 1

Коэффициент сходства Съерсена-Чекановского

Высокий 0,8-1,0 3

Средний 0,5-0,8 2

Низкий Менее 0.5 1

Индекс поврежденности древостоя

< 20% 3

20 - 49% 2

50% и > 1

Интегральный показатель состояния нарушенных земель (I,) рассчитывается по аккумулятивной формуле, учитывающей сумму баллов по каждому показателю, при наличии древесных растений добавляется индекс поврежденности деревьев (Оу) и умножается на климатический коэффициент (Кк), равный показателю увлажнения:

I, = Кк (Ог+Р!+О+ Эи+ЭеИ + (Оу)),

где I, - интегральный показатель состояния техногенно нарушенных территорий;

Кк - показатель увлажнения;

Ог - баллы по орографическому фактору;

Р! - баллы потенциального плодородия;

О - плотность техногенного элювия;

Эи - стадии сукцессии;

ЭеИ - коэффициент сходства Съерсена-Чекановского;

Оу - индекс поврежденности древостоя.

В зависимости от суммы баллов определяется класс состояния экосистем нарушенных территорий. При сумме баллов 47,4-56,7 восстановление экосистем происходит достаточно быстро и практически не требует вмешательства со стороны человека. Такие территории практически не требуют рекультивации. При сумме баллов 37,5-47,6 восстановление экосистемы происходит фрагментарно, необходимо проведения незначительных работ по рекультивации. При количестве баллов 23,7-35,7 нарушенная территория восстанавливается медленно и необходимо проведения биологической рекультивации. Если сумма баллов менее 23,7 баллов, то необходимо проведение всего комплекса работ по горно-техническому и биологическому этапам рекультивации (табл. 3).

Таблица 3

Интегральная оценка пригодности нарушенных земель для рекультивации

Степень восстанавливаемости экосистем Сумма баллов Рекомендации

Самовосстанавливающаяся 47,4-56,7 Проведение дополнительных мер по рекультивации не требуется

Частично восстанавливающаяся 35,7-47,6 Требуется частичная биологическая рекультивация на отдельных участках

Медленно восстанавливающаяся 23,7-35,7 Требуется полное проведение биологического этапа рекультивации

Невосстанавливающаяся Менее 23,7 Необходимо проведения всего комплекса работ по горно-техническому и биологическому этапам

Применение интегрального показателя на отвалах Кедровского угольного разреза позволило произвести типизацию нарушенных земель по степени их пригодности для рекультивационных работ. Выделены полностью, частично, медленно и практически невосстанавливающиеся территории (рис.).

Типизация нарушенных земель железнодорожного отвала Кедровского угольного разреза (Кузбасс):

I - экосистема самовосстанавливающаяся; II - частично восстанавливающаяся экосистема;

III - экосистема медленно восстанавливающаяся; IV - практически невосстанавливающаяся экосистема

Литература

1. Андроханов В.А., Курачев В.И. Принципы оценки почвенно-экологического состояния техногенных ландшафтов // Сиб. экол. журн. - 2009. - №2. - С. 165-169.

2. Куприянов А.Н., Манаков Ю.А. Критерии сингенетических сукцессий на отвалах Кузбасса // Экология урбанизированных территорий. - 2009. - № 9. - С. 82-88.

3. Попов В.М., Рагим-Заде Ф.К., Трофимов С.С. Классификация вскрышных пород по пригодности для биологической рекультивации // Рекультивация в Сибири и на Урале. - Новосибирск, 1970. - С. 25-41.

4. Климат Кемерово. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 161 с.

5. Баранник Л.П. Биоэкологические принципы лесной рекультивации. - Новосибирск, 1988. - 84 с.

6. Моторина Л.В. Естественное зарастание отвалов открытых разработок // Растительность и промышленные загрязнения. - Свердловск, 1970. - С. 118-123.

7. Творогов В.А. Естественное зарастание нарушенных участков тундры в районе Ямбургского газоконденсатного месторождения (п-ов Тазовский) // Ботан. журн. - 1988а. - Т.73. - № 11. - С.1577-1588.

8. Капелькина Л.П. Экологические аспекты оптимизации техногенных ландшафтов. - СПб.: Наука, 1993. - С. 29-42.

9. Миронычева-Токарева Н.П. Динамика растительности при зарастании отвалов. - Новосибирск: Наука, 1998. - 169 с.

10. Манаков Ю.А., Куприянов А.Н. Диагностические критерии сингенетических сукцессий на отвалах Кузбасса // Экология урбанизированных территорий. - 2009. - № 2. - С. 82-85.

11. Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. - М.: Наука, 1980. - 328 с.

12. ВороновА.Г. Геоботаника. - М.: Высш. шк., 1983. - 384 с.

'--------♦-----------

УДК 632.122 М.Ф. Андрейчик, Н.П. Аюшинов, В.М. Соловьева

СОДЕРЖАНИЕ ВАЛОВЫХ ФОРМ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УГОДИЙ РЕСПУБЛИКИ ТЫВА

В работе исследуется обеспеченность почв валовыми формами тяжелых металлов в 13 районах Республики Тывы. Установлено, что превышение ПДК по кадмию зафиксировано на 2,0 тыс. га, никелю -2,4, цинку - 2,7 и свинцу - 225,0 тыс. га.

Ключевые слова: почва, тяжелые металлы, микроэлементы, сезонная динамика, источники загрязнения, ареалы, Республика Тыва.

M.F. Andreychik, N.P. Ayushinov, V.M. Solovyeva AVAILABILITY OF THE HEAVY METALS AND MICROELEMENTS TOTAL FORMS IN THE AGRICULTURAL LAND SOILS OF TYVA REPUBLIC

Soils provision with the heavy metals total forms in the 13 areas of Tyva Republic is researched in the article. It is determined that excess of maximum concentration limit for cadmium is fixed on 2,0 thousand hectare, for nickel on 2,4 thousand hectare, for zinc on 2,7 thousand hectare and for lead on 225,0 thousand hectare.

Key words: soil, heavy metals, microelements, seasonal dynamics, pollution sources, areas, Tyva Republic.

Неотъемлемой частью комплекса проблем, связанных с охраной природной среды, является изучение и оценка загрязнения почв сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами. Анализируя существующие классификации тяжелых металлов в почвах, авторы работы [4] приходят к выводу, что в понятия «тяжелые металлы» (ТМ) и «микроэлементы» входят одни те же химические элементы, а употребление того или иного термина связано с их концентрацией. Культурные растения по сравнению с дикорастущими отличаются меньшей устойчивостью к ТМ и приспособляемостью к условиям произрастания. Интерпретация данного вопроса отражена в работах [1, 2]. В Туве имеются территории с избыточным содержанием микроэлементов никеля, кобальта, меди, марганца, свинца и цинка. У растений, произрастающих на рудных жилах и отвалах горнодобывающей промышленности, наблюдаются угнетенность роста, хлороз, нарушение пигментации при избытке меди. В то же время некоторые растения адаптируются к избытку тяжелых металлов в почве и содержат их в биомассе почти в 2-4 раза больше, чем другие виды этого семейства (качим изящный, бурачок двусемянный).

На пахотных землях Республики Тыва вопросом обеспеченности почв микроэлементами и их состоянием начали заниматься с 1996 года. К концу 1997 года была выявлена не совсем благополучная картина: содержание многих микроэлементов в почвах явно недостаточно для нормального роста и развития сельскохозяйственных культур. Сложившаяся ситуация в перспективе отрицательно скажется на здоровье населения, особенно при недостатке йода. По нашим данным, 82% обследованных сельскохозяйственных угодий имеют низкое содержание бора, 80% меди, 90% цинка и 83% кобальта. Обследованная площадь крайне низко обеспечена йодом, средневзвешенное содержание которого колеблется от 0,17 на каштановых до 0,32 мг/кг на аллювиальных почвах. Несколько лучше почвы обеспечены марганцем, его низкое содержание имеют 33, среднее - 50 и высокое 1-7% обследованных сельхозугодий [3].