Влияние метана на растительность лесных насаждений

© Ю.В. Лесин, Т.Ф. Мельникова, 2012

Ю.В. Лесин, Т.Ф. Мельникова

ВЛИЯНИЕ МЕТАНА НА РАСТИТЕЛЬНОСТЬ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ

Изучено состояние лесных насаждений вдоль автодорог, приведены результаты анализа почв по основным показателям, выдвинута гипотеза о влиянии метана угольных пластов на растительность. Ключевые слова: газоносность, метанотрофы, метилотрофные бактерии, почвенный воздух.

Изучая состояние лесных насаждений вдоль трасс Кемеровской области, можно выделить неравномерный рост лесных насаждений в некоторых районах области. В северной части Кемеровской области деревья в лесных насаждениях растут и развиваются однородно (рис. 1, а). В центральной же части области высота и степень развития деревьев значительно колеблется в пределах одной лесопосадки (рис. 1, б).

Первая фотография была сделана на выезде из города Кемерово, вторая — в двух километрах от села Степановка (Сте-пановка находится между городами Белово и Киселевск). Амплитуда колебания высот деревьев достигает 3—5 метров. Столь значительные колебания могут быть объяснены различиями рельефа, а именно «стеканием» питательных для растений веществ почвы в места понижения рельефа, где бы происходил бурный рост растительности; наличием линз подземных вод, на участках с высокими тополями обеспечивая дополнительную влагу растительности; неравномерным распределением тяжелых металлов в почве; неравномерным распределением питательных веществ в районе роста лесопосадок, а также выходом угольных пластов под наносы [1].

Весной 2010 года на базе Кемеровского научно-исследовательского института сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук были проведены анализы почвы на основные агрохимические показатели. Результаты исследования почвы приведены в табл. 1.

а

б

Рис. 1. Фотографии: а — северного Кузбасса, б — центрального Кузбасса

Таблица 1

Результаты агрохимического анализа почвы на основные показатели

Наименование показателей Почва с участков высоких тополей

рН солевая, 5,5 5,8 5,7 5,3

ед. рЬ

Гумус, % 10.3 10.5 12.2 10.0

Р2О5 (по 60.0 65.0 62.0 82.0

Чиркову),

мг/кг

К2О, мг/кг 190.0 250.0 220.0 160.0

N-N03, 0.9 1.3 1,0 0.8

мг/кг

В целом, можно сказать, что почвы на участках высоких и низких тополей сходны по агрохимическим показателем, что дает нам право считать, что почвенное плодородие не является причиной колебания высот деревьев в лесопосадках.

Один из возможных вариантов объяснения данного явления неравномерное распределение тяжелых металлов в почве, для того чтобы проверить это было проведено биотестирование. Для определения различия между образцами почвы с участков высоких и низких тополей в течение недели выращивали лук обыкновенный «Allium сера» на вытяжках из образцов почв. В качестве контроля использовали воду. Тест показал, что общий и средний прирост биомассы для почв с участков с высокими и низкими тополями примерно одинаковы.

Кузбасс — крупная мульда протяженностью 335x110 км, сильно дислоцированная по юго-западной, северо-западной и северной окраинам, где угленосные отложения собраны в очень крупные складки, линейно-вытянутые и разорванные крупными субпараллельными дизъюнктивами. К центру бассейна синклинальные структуры становятся более крупными, с широкими пологими замками, постепенным выкручиванием крыльев и образованием брахисинклиналей. Южная и юго-восточные части бассейна тектонически более спокойны. Среди палеозойских угленосных отложений выделяются две продуктивные серии: балахонская (нижняя) и кольчугинская (верхняя).

Наиболее метаморфизованными и газоносными являются угли балахонской серии. Самой высокой газонасыщенностью угольных пластов и вмещающих пород и самыми большими ресурсами свободного газа в скоплениях обладают шахтные поля в южной и центральной частях балахонской серии в Томь-Усинском, Мрасском, Кондомском, Бунгуро-Чумышском, Ара-личевском и Прокопьевско-Киселевском районах.

Самые большие запасы метана приурочены к угольным пластам и вмещающим породам в пределах Главного монокли-нала по юго-восточной и южной окраинам бассейна. При малой глубине зоны газового выветривания 80—90 м в речных долинах под экранирующими водоносными горизонтами уже на глубине 200 м газоносность угольных пластов достигает 25—30 м3/т с.б.м. Нарастая по гиперболической кривой, природная газоносность на глубинах 550—600 м составляет 35— 37 м3/т с.б.м и является самой высокой в Кузбассе.

На севере Кузбасса природная газоносность угольных пластов вниз по разрезу балахонской серии нарастает гораздо медленнее, чем на юге, благодаря, в первую очередь, меньшему метаморфизму угля, а также значительной глубине зоны газового выветривания за счет многочисленных открытых тектонических разрывов и крупных дренирующих разломов в угленосной толще при наклонном и крутом залегании пластов [3].

В отличие от балахонских, пласты угля кольчугинской серии, кроме крупных тектонических разрывов, характеризуются мелкими волнообразными пережимами и разрывами, мелкими

заворотами и провалами пластов, мелкими складками и выжимами пластов. Наблюдаются многократные изменения первичной текстуры и мощности пластов в виде трещин проседания, многоступенчатых внутрипластовых послойных и пологосекущих сдвигов, надвигов и пережимов. Угленосные отложения кольчугинской серии занимают центральную часть Кузбасса. Угленасыщенность их меньше, чем отложений балахонской серии, а тектоника более простая. На ряде участков Ленинского района пласты имеют пониженную газоносность, поскольку они залегают в виде замкнутых неглубоких синклиналей и имеют повышенную обводненность. Высокой газоносностью обладают угольные пласты в Белов-ском районе в пределах Чертинской синклинали, заключенные в слабопроницаемых аргиллитах и алевролитах, где зона газового выветривания практически отсутствует, в пологих складках и в зонах с пологой волнистостью. В Байдаевском районе распределение газов в угленосной толще предопределено крупным тектоническим нарушение. В Осинников-ском районе в пределах Шелканской синклинали локальные зоны повышенной газоносности связаны с мелкоамплитудными нарушениями и главным образом, с деформациями кровли угольных пластов. Повышенную газообильность очистных выработок предопределяют пласты-спутники и про-пластки угля [2].

В связи с высокой газоносностью именно в центральной части Кузбасса, а также с тем, что горизонтальная мощность пластов примерно совпадает с шириной полос с угнетенной растительностью в этом районе, было сделано предположение, что метан, поднимаясь от пластов угля через рыхлые отложения, проникает в почвенный воздух и каким-то образом угнетает растительность.

Почвенный воздух — один из факторов жизни растении. Кислород воздуха необходим для прорастания семян, дыхания корней растений, почвенных микроорганизмов. Он участвует в реакциях окисления минеральных и органических веществ. При окислении органического вещества почвы происходит круговорот углерода, азота, фосфора и других элементов пи-

тания. Недостаток кислорода ослабляет дыхание, обмен веществ, а при отсутствии в почве свободного кислорода прекращается развитие растений. Косвенное влияние недостатка кислорода в почве связано с понижением окислительно-восстановительного потенциала, развитием анаэробных процессов, образованием токсичных для растений соединений, снижением доступных питательных веществ, ухудшением физических свойств почвы. Все это в конечном итоге снижает плодородие почвы и урожай растений.

Оптимальное содержание кислорода в почвенном воздухе около 20 %. При такой обеспеченности кислородом в почве развиваются аэробные процессы и создаются благоприятные условия для произрастания растений.

Второй важный компонент почвенного воздуха — углекислый газ. Высокое содержание его в почве отрицательно действует на семена, корни и урожай растений. Однако углекислый газ необходим для фотосинтеза. Установлено, что от 38 до 72 % углекислого газа доставляется растению из почвенного воздуха при «дыхании» почвы.

Но почвенный воздух характеризуется не только наличием кислорода и углекислого газа, он также содержит и другие газы. В данной работе важно оценить роль метана, поэтому остановимся на нем подробнее.

Метан — бесцветный газ без запаха, малорастворим в воде, легче воздуха и поэтому, высвобождаясь из угольных пластов, он поднимается через покровные отложения, почву и выходит в атмосферу.

В местах скопления метана в почве угнетается растительность за счет распространения в почвах метилотрофных бактерий и микроорганизмов, резко снижающих концентрацию кислорода в почве, который расходуется на окисление метана [5].

Метанотрофы — метилотрофные микроорганизмы, структурно и функционально специализированные на использовании метана. Облигатные метанотрофы — метило-трофные микроорганизмы, способные использовать в качестве источника углерода и энергии только метан и некото-

рые его производные, не содержащие С-С связи[6]. Исходя из определения метанотрофов, можно утверждать, что наличие метанотрофов в почве укажет на содержание метана в почвах под лесопосадками. Исследования на содержание метанотрофов в почве планируется провести в ближайшее время.

1. Исследование причин аномального роста лесных насаждений на угленосных территориях Кузбасса. Т.Ф. Мельникова, В.В. Битюков; Проблемы геологии и освоения недр: Труды XVI Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 110-летию со дня основания горно-геологического образования в Сибири. Том II; Томский политехнический университет. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. — 890 с.

2. Рудаков В.А., Данисенко С.И. Научные основы прогноза опасных газопроявлений на шахтах Кузбасса. — Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. —

3. Угольная база России. Том II. Угольные бассейны и месторождения Западной Сибири (Кузнецкий, Горловский, Западно-Сибирский бассейны; месторождения Алтайского края и республики Алтай). [Текст] — М.: ООО «Геоинформцентр», 2003. — с. 604

4. Груздева Ё.П., Яскин A.A. Почвоведение с основами геоботаники. — М.: Агропромиздат, 1991. — 448 с.

5. Королев B.A. Мониторинг геологической среды: Учебник / Под редакцией В.Т. Трофимова. — М.: Изд-во МГУ, 1995. — 272 с.

6. Гальченко В.Ф. Метанотрофные бактерии. — М., ГЕОС, 2001. — 500 с. ВТШ

Лесин Юрий Васильевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой геологии, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева,

Мельникова Татьяна Фёдоровна — аспирант, ассистент кафедры геологии, Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, kuzstu@kuzstu.ru

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

67 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ