Биологическая рекультивация на основе лесных энергетических плантаций

© C.B. Ясюченя, C.B. Ковшов, В.П. Ковшов, 2014

УДК 631.41

C.B. Ясюченя, C.B. Ковшов, В.П. Ковшов

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕКУЛЬТИВАЦИЯ НА ОСНОВЕ

ЛЕСНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПЛАНТАЦИЙ

Рассмотрен оригинальный вариант биологического этапа рекультивации на основе вырашивания лесных энергетических плантаций. Приведен анализ различных применяемых для этого типов растительности. Установлено, что рациональными древесными породами являются ива, береза и тополь. Дана оценка энергетической, экологической и экономической эффективности предлагаемой технологии. Предложена типовая технологическая схема и рекомендации по ее реализации с учетом климатических и литологических особенностей места расположения рекультивируемого объекта. Ключевые слова: рекультивация, энергетическая плантация, карьер, энергетическая эффективность, теплотворная способность, биологический этап рекультивации.

Обычно завершающим этапом восстановления нарушенных земель является фитоценотический этап рекультивации, который осуществляют после полного завершения горнотехнического этапа и обратной транспортировки почвенного слоя на прежнее место после окончания работ на карьере. Фитоценотический этап рекультивации состоит в засадке готового почвенного массива луговыми, лесными или сельскохозяйственными растениями. Работы этого этапа землепользователи выполняют в соответствии с предполагаемым использованием рекультивированной территории и агротехническими требованиями к почвенному покрову для возделывания конкретных видов растений. Чаще всего фитоценотический этап сводится лишь к засадке почвенного массива травянистыми растениями. Однако, с точки зрения противоэрозионных мероприятий, этого не достаточно. В этом случае почвенный слой при сильном ветре легко сдувается, а при ливнях - легко размывается. Выходом из сложившейся ситуации является посадка представителей 2 и 3 растительных ярусов: кустарников и деревьев [1].

Помимо чисто противоэрозионной роли, создание 2 и 3 ярусов способно частично, на локальном уровне, решать одну из ключевых проблем современной цивилизации - энергетическую. Суть проблемы плантационного лесовыращивания в том, чтобы увеличить выход продукции с единицы продуцирующей площади

и значительно сократить при этом сроки производства древесины как сырья с заданными параметрами (на лесосырьевых плантациях) или как топлива (на лесоэнергетических плантациях).

В различных климатических условиях по единой методике были созданы стационарные опытные объекты, в том числе прототипы будущих плантаций, изучены лучшие из ранее созданных культур, определены факторы и условия, при которых может быть обеспечен форсированный рост деревьев. Также сравнивались возможные экономические показатели плантационной и традиционной форм ведения хозяйства в лесу и были разработаны в первом варианте региональные технологии плантационного лесовыращивания.

Полученные данные говорят о том, что ускоренное производство (выращивание) деловой древесины сосны и ели должно базироваться на определенной системе мероприятий. В их числе ведущее значение имеют территориальная приуроченность плантаций к площадям с достаточно плодородными почвами, интенсивная мелиорация (гидро- и агротехническая, химическая, биологическая) условий местообитания, реализация определенного режима густоты культур с расчетом на раннее выявление деревьев с наиболее энергичным ростом (лидеров), эффективный контроль конкурирующих с культурами видов растений и эффективная защита культур от вредителей и болезней.

При сжигании 1 т древесных гранул выделяется столько же энергии, сколько при сжигании 1,6 т древесины, 480 м3 газа, 500 л дизельного топлива или 70 л мазута. Количество энергии, которое можно получить с энергетической плантации при урожайности 15 тонн сухой биомассы с гектара в год (теплотворная способность 15 МДж/кг), составляет 225 ГДж/га. При КПД газотурбинной электростанции 40 процентов один гектар энергетической плантации может обеспечить экологически чистым топливом производство 252 МВт-ч электроэнергии в год. В настоящее время рассматриваются различные схемы использования энергетических лесов с короткими севооборотами (как правило, предлагаются севообороты с шестилетним циклом). При этом энергоотдача (отношение количества энергии, которое получают от системы, к энергетическим затратам на ее создание и эксплуатацию, включая все косвенные расходы) таких энергетических плантаций колеблется между тремя и четырьмя, что оказывается вполне приемлемой величиной, если

учесть, что энергоотдача для тепловых станций, работающих на угле, составляет четыре-пять единиц [2].

При выборе древесных пород для энергетических плантаций необходимо учитывать плотность выращиваемой древесины, от которой зависит теплота сгорания (табл. 1) и интенсивность нарастания древесной биомассы, в течение жизни насаждения.

Исходя из объемной теплоты сгорания древесной биомассы пород, приведенных в табл. 1, видно, что для закладки энергетических плантаций целесообразно использовать быстрорастущие лиственные породы и прежде всего березу повислую и ольху черную. Эти породы в возрасте 30 лет характеризуются интенсивным нарастанием древесной биомассы, а поэтому имеется возможность получить в этом возрастном периоде больше древесной массы, чем при более длительном сроке выращивания. Так, при двух оборотах рубки по 30 лет, образование древесной биомассы на 13...16 % больше, чем при непрерывном выращивании лиственных древесных пород до 60 лет.

Целесообразность выращивания энергетической плантации лиственных пород до 30 лет кроме того объясняется:

• интенсивным ростом в этот период и хорошим вегетативным возобновлением после рубки, что позволяет без особых затрат получить несколько последующих генераций. В этом случае происходит длительное комбинированное выращивание плантаций семенного и вегетативного происхождения;

• наибольшей способностью молодняков поглощать углерод. Объём его ежегодного депонирования превышает или близок к 2 т/га;

Таблица 1

Плотность древесины в абсолютно-сухом состоянии и объёмная теплота её сгорания [2]

Порола Плотность / 3 лревесины, кг/м ОбъПмная теплота сгорания, МДж/м3

Сосна обыкновенная 480 9 600

Ель европейская 420 8 400

Берёза повислая 620 12 400

Ольха черная 495 9 900

Осина 465 9 300

Тополь бальзамический 425 8 500

Ива древовидная 425 8 500

• насаждения являются эффективной природной системой, снижающей парниковый эффект и положительно влияющей на окружающую природную среду.

В пользу лиственных пород также говорится то, что энергохимическая переработка древесной биомассы хвойных пород в газогенераторных установках при температуре свыше 800°С приводит к образованию компонентов физиологической смолы, которые вызывают затруднения в работе системы питания двигателей внутреннего сгорания. Для закладки энергетических плантаций можно использовать древесные породы, приведенные в табл. 2 [3].

Рекомендованные в табл. 2 породы необходимо высаживать в плантации с учётом биологической потребности лесных растений к условиям произрастания. При этом следует использовать потомство селекционно отобранных быстрорастущих форм, выведенных гибридов и новых сортов древесных пород. Это позволит наиболее быстро реализовать результаты селекции и генетики за счет вегетативного размножения отселектированных и выведенных новых сортов быстрорастущих древесных пород. В качестве посадочного материала могут быть использованы крупномерные сеянцы или черенковые саженцы. Обработка почвы

Таблица 2

Древесные породы, рекомендуемые для выращивания лесных энергетических плантаций

Порола Зона Способ искусственного выращивания плантаций

лесная Лесостепная Черенками Сеянцами 1П уИГО

срелней тайги южной тайги смешанных лесов

Берёза повислая + + + + - + +

Осина + + + + - + +

Тополь бальза- - - + + + - +

мический

Тополь чёрный - - + + + + +

Тополь белый - - + + - + +

Ольха чёрная - + + - - + +

Ива белая + + + + + - +

Ива ломкая (ри- - + + + + - +

сунок 1.22)

Ива пятитычин- + + + + - + +

ковая

должна обеспечивать для высаженных растений благоприятный почвенный микроклимат в посадочном месте. При создании лиственных лесных энергетических плантаций при их выращивании до 30 летнего возраста, расстояние между рядами целевых пород не должно превышать 3,0 м, а в ряду - 1,0 м. С целью получения большей биомассы в междурядьях плантаций целесообразно высаживать по 1-му ряду древесных пород - уплотнителей, дающие как и целевая порода после рубки вегетативное возобновление (рябина обыкновенная, вяз обыкновенный, клён остролистный, липа мелколистная и др.) [2].

На базе Горного университета разработана новая технологическая система выращивания лесных энергетических плантаций при рекультивации отработанных карьерах строительных материалов. В ее основу положен анализ литологической основы карьеров, технологии разработки, географических условий расположения, вида используемого сырья для посадки. На основе этого анализа доработаны технологические схемы, предложенные в технологических решениях по рекультивации нарушенных земель (рис. 1).

В целях получения наибольшего лесоводственного, энергетического и экономического эффекта от плантационного лесо-выращивания на отработанных карьерах строительных материалов необходимо:

• закладывать культуры в благоприятных для выращиваемой породы почвенно-климатических условиях;

• до посадки культур площадь должна быть выположена;

• использовать высококачественный посадочный материал лучших генотипов, обладающий повышенной энергией роста, заданным качеством древесины, устойчивостью к вредителям и болезням;

• насаждения создавать и выращивать при оптимальной густоте с учетом биологических особенностей выращиваемой породы и максимальной механизации работ при эксплуатации плантации;

— в течение всего цикла выращивания плантационных культур поддерживать высокий уровень плодородия почвы путем применения научно обоснованной агротехники с систематическим внесением удобрений и созданием благоприятного режима увлажнения почв;

• обеспечить регулярный надзор за состоянием плантации и вести своевременную борьбу с энтомо- и фитовредителями;

• плантации должны иметь подъездные пути и быть расположены ближе к перерабатывающему предприятию.

Рис. 1. Обустройство и озеленение уступов сухих и умеренно увлажненных неглубоких остаточных карьерных выемок

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бульбашев А.П. Рациональная организация добычи полезных ископаемых в карьерах со сложными условиями труда горнорабочих / А.П. Бульбашев, H.A. Гаспарьян, С.В. Ковшов, А.Н. Никулин, Ю.Д. Смирнов, Ю.В. Шувалов. - СПб: МАНЭБ. - 2009. - 464 с.

2. Маркова И.А. Современные проблемы лесовыращивания (Лесокуль-турное производство): Учебное пособие / И.А. Маркова. — СПб.: СПбГЁТА. - 2008. - 152 с.

3. Шувалов Ю.В. К проблеме использования лесных энергетических плантаций / Ю.В. Шувалов, С.В. Ковшов // Экология и развитие общества. Материалы XII Международной конференции. 1-4.07.2009, г. Сосновый Бор -Санкт-Петербург. - СПб.: МАНЭБ. - 2009. — С. 168-171. ИШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Ясюченя Сергей Владимирович — кандидат технических наук, технический директор, ОАО «СУЭК-Кузбасс»,

Ковшов Станислав Вячеславович — кандидат технических наук, ассистент кафедры, kovshovsv@mail.ru,

Ковшов Вячеслав Петрович — кандидат географических наук, доцент кафедры, kovshovs@front.ru,

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,

BIOLOGICAL RECULTIVATION FROM FOREST ENERGY PLANTATIONS

Yasuchenya S.V., SUEK-Kuzbass,

Kovshov S.V., Ph.D., Assistant Safety department, kovshovsv@mail.ru,

Kovshov V.P., Ph.D., Associate professor of Safety department, kovshovs@front.ru, National

mineral resources university.

The article deals with the original version of the biological recultivation stage based on the cultivation of forest energy plantations. An analysis of various possible for this type of vegetation. Found that rational tree species are willow, birch and poplar. Estimated energy, environmental and economic efficiency of the proposed technology. Offers typical flowsheet and recommendations for its implementation, taking into account climatic and lithology location recultivated object.

Key words: recultivation, energy plantation, open cast mine, energy efficiency, calorific value, the biological stage of recultivation.

REFERENCES

1. Bulbashev A.P., Gasparyan N.A., Kovshov S.V., Nikulin A.N., Smirnov Y.D., Shu-valov Y.V. Rational organization of mining in quarries in the complex environment of miners. St. Petersburg: MANEB, 2009, 464 p.

2. Markova I.A. Modern problems of forest growing (Silvicultural production). St. Petersburg: SPb FTA, 2008, 152 p.

3. Shuvalov Y.V., Kovshov S.V. On the problem of the use of forest energy plantations Ecology and society. Materials of the XII International Conference. 1-4.07.2009, Sosnovy Bor, St. Petersburg: MANEB, 2009, P. 168-171.