Текст книги "Технологии рекультивации и обустройство нарушенных земель в Западной и Восточной Сибири"

2.2. Результаты исследования продуктивности земель агроландшафтов в естественно-природном состоянии и восстановленных угольным разрезом «Бородинский»

Внешние и внутренние отвалы, восстановленные угольным разрезом «Бородинский» для использования в сельском хозяйстве, имеют возраст 28–35 лет. Такой относительно длительный период должен благоприятно сказаться на естественном восстановлении почвенного плодородия, высокие уровни которого, в свою очередь, обусловливают значительный объем произрастающей фитомассы на поверхности реабилитированных агроландшафтов.

Комплексными исследованиями почвенного слоя, нанесенного на поверхности рекультивированных отвалов, установлено, что его количественные и качественные показатели существенно трансформированы в сторону уменьшения относительно показателей почв агроландшафтов, находящихся в естественно-природном состоянии.

Вместе с тем исторически практикой земледелия доказано, что продуктивность агроландшафтов снижается в 2 раза и более при уменьшении содержания гумуса в почвах на 35–50 %. В случае производства земледельческих работ на таких землях или при создании культурных ландшафтов в ходе ведения горных работ необходимо искусственное повышение их продуктивности, заключающееся во внесении органических и минеральных удобрений в рекультивированный почвенный слой. Последнее мероприятие, в свою очередь, требует вложения значительных финансовых ресурсов. При отсутствии последних у предприятий АПК агроландшафты, восстановленные угольными разрезами, остаются невостребованными.

Параллельно с этим имеются результаты исследования продуктивности земель рекультивированных отвалов с низкими качественными показателями, вступающие в противоречие с исторической практикой земледелия и говорящие о повышении продуктивности земель восстановленных агроландшафтов. Такие результаты получены на Кузбассе и Украине [14–16, 106–108]. И если это так, то являются ли они корректными для почвенно-климатических условий Канской лесостепи в Красноярском крае, на территории которой расположены крупные угольные разрезы? Необходимы ли ресурсные вложения в повышение продуктивности земель агроландшафтов, реабилитированных угольными разрезами? Кроме того, до сих пор остается малоизученным изменение продуктивности рекультивированных земель в зависимости от мощности почвенного слоя, наносимого на поверхности реабилитируемых агроландшафтов.

Для получения новых знаний, дающих исчерпывающие ответы на эти вопросы, в июле-августе 2010 г. проводили полевые исследования в перспективных контурах горного отвода угольного разреза «Бородинский» на территории старопахотных земельных угодий, а также на поверхности внешних и внутренних отвалов, созданных угольным разрезом с 1950 по 1985 г.

Наши исследования были приурочены к контрольным прикопам, имеющим кустовое расположение на западном и восточном флангах, центральной части горного отвода угольного разреза «Бородинский». В контурах горного отвода прикопы расположены вблизи маркшейдерских пикетов с номерами 2, 30, 42 и 54. Исследуемый плодородный слой почвы мощностью 0,35–0,75 м представлен старопахотными черноземами.

В радиусе 1,5 м от прикопов на рельефе накладывали ячейки размером 1х1 м из деревянных брусков соответствующей длины сечением 30х45 мм. Далее на этой площади ручным серпом на расстоянии 2–3 см от земной поверхности скашивали надземную часть растений. Массу скошенной растительности измеряли путем ее взвешивания на бытовых весах. Результаты замеров представлены на фотографиях (рис. 2.11).

На рис. 2.11 слева изображен средний уровень фитомассы, произрастающей в непосредственной близи от прикопа с мощностью ПСП 0,37 м. На рис. 2.11 справа изображен средний уровень фито-массы, произрастающей в непосредственной близи от прикопа с мощностью ПСП 0,55 м. Результаты исследования продуктивности представлены графически на рис. 2.12 с учетом изменения содержания гумуса в почвах в диапазоне от 8 до 10 %. На графике хорошо просматривается тенденция увеличения продуктивности земель как с ростом мощности ПСП, так и с увеличением содержания гумуса.

Рис. 2.11. Результаты замеров продуктивности фитомассы, произрастающей на старопахотных почвах

Графическая интерпретация продуктивности старопахотных земель, находящихся в естественном состоянии, высвечивает следующие тенденции в ее изменении: в диапазоне мощности почвенного слоя от 0,35 до 0,45 м наблюдается прирост фитомассы на уровне 3,0 ц/га на каждый сантиметр увеличения мощности почвенного слоя; увеличение мощности почвенного слоя на 0,1 м, т.е. в диапазоне 0,46–0,55 м, обусловливает прирост фитомассы на уровне 21 ц/га; дальнейшее увеличение мощности почвенного слоя с 0,55 до 0,75 м обусловливает рост фитомассы на уровне 0,6–0,9 ц/га на каждый сантиметр почвенного слоя.

Рис. 2.12. Изменение продуктивности старопахотных земель в естественно-природном состоянии

Кроме того, увеличение содержания гумуса в старопахотных земельных угодьях на 1 % вызывает рост их продуктивности на 6–8 ц/га.

В ходе визуального осмотра поверхностей отвала была выдвинута гипотеза о том, что густота травянистого покрова находится в зависимости от мощности почвенного слоя, нанесенного в ходе горнотехнического этапа рекультивации. Это позволило в дальнейшем существенно сократить объем земляных работ по созданию прикопов в нанесенном почвенном слое и выполнить исследования в более короткий временной период для получения корректных результатов.

На начальном этапе полевых исследований на поверхности отвалов выбирали участки земель с незначительной густотой травянистого покрова (рис. 2.13). На этих участках мощность нанесенного почвенного слоя составила 10–15 см (рис. 2.14).

Визуальный осмотр поверхности отвалов с мощностью почв 0,1–0,2 м показал отсутствие смыкаемости надземной части растений на этих участках. На последних наблюдаются участки земель размером до 0,3х0,3 м с полным отсутствием растительности. Такие участки хорошо просматриваются на фотографиях, представленных на рис. 2.15.

На следующих этапах проведения исследований на участках с более густым травянистым покровом создавали прикопы, которые показали мощность нанесенного почвенного слоя от 0,18 до 0,4 м (рис. 2.16, 2.17). Нанесенный в ходе проведения горнотехнической рекультивации почвенный слой характеризуется содержанием гумуса в диапазоне от 4 до 6,2 % и увеличенным содержанием глинистых фракций до 55 %.

В замерах мощности ПСП использовалась чертежная линейка длиной 40 см. На всех фотографиях хорошо видно, что мощность нанесенного почвенного слоя варьирует в диапазоне 10–40 см. Пестрота вертикальной поверхности прикопов говорит о значительном засорении ПСП глинистыми фракциями, возникающем в ходе выполнения горнотехнического этапа. Содержание гумуса в подстилающих ПСП суглинках в естественно-природном состоянии находится в диапазоне 0,6–0,8 %. На фотографиях также хорошо видно, что почвенный слой лежит на вскрышных породах, перемещенных и уложенных в тело отвала. Последние представлены смесью суглинков, угольной массы, аргиллитов, алевролитов и песчаников.

Рис. 2.13. Фрагмент поверхности участка восстановленных земель с мощностью нанесенного почвенного слоя 15 см

Рис. 2.14. Фрагменты полевых работ по исследованию продуктивности земель восстановленных агроландшафтов с мощностью почвенного слоя 10–15 см: слева – вертикальные прикопы в рекультивированном почвенном слое; справа – результаты замера продуктивности рекультивированных земель

Рис. 2.15. Поверхность отвалов с участками земель без заселения их растительностью

Рис. 2.16. Фрагменты полевых работ по исследованию продуктивности земель восстановленных агроландшафтов с мощностью почвенного слоя 18–25 см: слева – вертикальные прикопы в рекультивированном почвенном слое; справа – результаты замера продуктивности рекультивированных земель

Рис. 2.17. Фрагменты полевых работ по исследованию продуктивности земель восстановленных агроландшафтов с мощностью почвенного слоя 35–40 см: слева – вертикальные прикопы в рекультивированном почвенном слое; справа – результаты замера продуктивности рекультивированных земель

Итоговые результаты исследования продуктивности земель изображены на рис. 2.18. Графическая интерпретация продуктивности рекультивированных земель высвечивает следующие тенденции в ее изменении: в диапазоне мощности нанесенного почвенного слоя с 0,1 до 0,2 м наблюдается прирост фитомассы на уровне 1,4 ц/га на каждый сантиметр увеличения мощности нанесенного почвенного слоя; увеличение мощности рекультивированного почвенного слоя на 0,1 м, т.е. с 0,21 до 0,3 м, обусловливает прирост фитомассы на уровне 2,8 ц/га на каждый сантиметр увеличения мощности нанесенного почвенного слоя; дальнейшее увеличение мощности почвенного слоя с 0,25 м до 0,4 м приводит к приросту фитомассы на 0,4 ц/га на каждый сантиметр увеличения мощности нанесенного почвенного слоя.

Для проведения сравнительного анализа изменения продуктивности земель в естественно-природном и трансформированном состояниях результаты полевых исследований совмещены на одном графике, изображенном на рис. 2.19.

Анализ графических построений высвечивает следующие тенденции в изменении продуктивности земель восстановленных агроландшафтов: темпы прироста фитомассы на землях реабилитированных агроландшафтов являются максимальными на уровне 2,1 ц/га с увеличением мощности нанесенного почвенного слоя до 0,3 м; дальнейшее увеличение мощности почвенного слоя с 0,3 до 0,4 м обусловливает незначительные темпы прироста фитомассы на уровне 0,6 ц/га. Установленные тенденции позволяют сделать вывод о том, что трансформация количественных и качественных показателей наносимого почвенного слоя в меньшую сторону приводит к резкому снижению продуктивности рекультивированных земель: при средней мощности почв 0,25 м и содержании в них гумуса на уровне 5 % их продуктивность снижается в три раза относительно продуктивности земель, находящихся в естественно-природном состоянии со средней мощностью почв 0,55 м и содержанием в них гумуса на уровне 9 %.

Рис. 2.18. Изменение продуктивности рекультивированных земель

Рис. 2.19. Изменение продуктивности земель агроландшафтов в естественно-природном состоянии и восстановленных угольным разрезом

Итак, анализ результатов полевых исследований по определению продуктивности земель показал следующее: минимальная и максимальная продуктивности земель на уровне 10–18 и 52–58 ц/га характерны для участков реабилитированных агроландшафтов с мощностью почвенного слоя 10–15 и 30–40 см; минимальная продуктивность земель в естественно-природном состоянии на уровне 60–75 ц/га характерна для черноземных почв мощностью 35–40 см;

максимальная продуктивность земель в естественно-природном состоянии на уровне 110–130 ц/га наблюдается на старопахотных землях с мощностью почвенного слоя на уровне 0,6–0,75 м.

2.3. Результаты полевых работ по исследованию геоэкологических показателей локальных ландшафтов, созданных на породных отвалах

Исследование продуктивности рекультивированных земель

На наш взгляд, научно-прикладным исследованиям по обоснованию технологий горнотехнической рекультивации, в которых производится формирование корнеобитаемого слоя для нанесения его на отвалы, обладающего высокой продуктивностью при низких затратах на работы по рекультивации, должны предшествовать полевые работы, связанные с исследованием продуктивности культурных ландшафтов, ранее созданных угольными разрезами. В этой связи такие почвенно-флористические исследования были проведены с 2008 по 2011 г. на породных отвалах угольного разреза «Бородинский», характеризующихся большим разнообразием культурных ландшафтов.

Низкая продуктивность растительности отмечена на участках со следующим строением почвообразующего слоя – во всех случаях плодородный слой почвы был нанесен на поверхность отвалов, отсыпанных алевролитами.

На дальнейших этапах проведения исследований на участках с более густым травянистым покровом создавали прикопы, которые показали мощность почвенного слоя от 0,1 до 0,4 м, нанесенного на породные отвалы, сложенные четвертичными отложениями.

Почвенный слой характеризуется содержанием гумуса в диапазоне от 4 до 6,2 % и увеличенным содержанием глинистых фракций до 55 %. Пестрота вертикальной поверхности прикопов говорит о значительном засорении ПСП глинистыми фракциями, возникающем в ходе выполнения горнотехнического этапа рекультивации. Содержание гумуса в суглинках, подстилающих ПСП, находится в диапазоне 0,4–0,6 %.

Итоговые результаты исследования продуктивности рекультивированных земель представлены на рис. 2.20.

Анализ их продуктивности высвечивает следующие тенденции в ее изменении: в диапазоне мощности почвенного слоя, нанесенного на основание из алевролитов, с 0,1 до 0,4 м наблюдается прирост веса растительности на уровне 0,33 ц/га на каждый сантиметр увеличения мощности нанесенного почвенного слоя; увеличение мощности рекультивированного почвенного слоя, нанесенного на основание из четвертичных отложений, в том же диапазоне обусловливает прирост веса растительности на уровне 0,73 ц/га на каждый сантиметр увеличения мощности нанесенного почвенного слоя. Интенсивность прироста продуктивности во всех случаях объясняется увеличением мощности почвенного слоя. Как видно из графика, структура почвообразующих пород, составляющих основу поверхности породных отвалов, обусловливает 3-кратную разницу в продуктивности восстанавливаемых земель.

Рис. 2.20. Изменение продуктивности рекультивированных земель

Исследование продуктивности горно-промышленного ландшафта, созданного без нанесения плодородного слоя почвы

Вместе с тем исследования растительного мира проводили на горно-промышленных ландшафтах, представленных посадками сосны и посевами люцерны в междурядьях (рис. 2.21).

Возраст сосен 8 лет. Почвообразующий слой мощностью до 2 м представлен техногенной почвенной смесью, состоящей из остатков плодородного слоя почвы после его снятия бульдозером в ходе горнотехнической рекультивации, потенциально плодородных пород и суглинков, слагающих верхний вскрышной уступ. Соотношение ПСП и суглинков в техногенной смеси 1:40–1:50. Продуктивность почвенного слоя находится в диапазоне от 55 до 65 ц/га на территории 92 % исследуемой площади, а в остальных случаях достигает 80 ц/га. Данная ситуация примечательна тем, что спустя 5 лет после проведения биологического этапа продуктивность земель ландшафта не снижается, оставаясь при этом на достаточно высоком уровне.

Рис. 2.21. Фрагмент горно-промышленного ландшафта на породном отвале, представленном смесью из плодородного слоя почвы, потенциально плодородных пород и суглинков (участок № 1)

Анализ последствий выполнения вскрышных и рекультивационных работ указал на то обстоятельство, что почвенный слой был сформирован случайным образом из остатков ПСП, не снятого в ходе горнотехнической рекультивации, потенциально плодородных пород, подстилающих ПСП, и суглинков, слагающих верхний вскрышной уступ. Техногенная смесь была отгружена карьерным экскаватором в железнодорожный транспорт, далее размещена отвальным экскаватором в верхней – приповерхностной – части внутреннего отвала.

Результаты комплексных исследований техногенных ландшафтов на территории рекультивированных отвалов

В ходе полевых работ обследовано 28 локальных ландшафтов площадью от 0,3 до 1,5 га. Многообразие горно-промышленных ландшафтов, каждый из которых обладает индивидуальными почвенно-флористическими характеристиками, а также общие составляющие позволили типизировать техногенные ландшафты в пять групп. При типизации ландшафтов были учтены их геометрические параметры, а также сделан акцент на исследование состава горных пород, отсыпанных в приповерхностной части. В качестве объектов исследований выбраны откосы отвалов и их горизонтальные поверхности. В ходе полевых работ детально обследовано пять ландшафтов, рекультивированных или оставленных под самозарастание, каждый из которых является типичным представителем своей группы: № 1 – западный сектор внутренних отвалов (рис. 1.14), № 2 – откос и № 3 – поверхность внутреннего отвала в его центральном секторе, № 4 – откос внутреннего отвала, сложенного алевролитами (западный сектор), № 5 – поверхность внутреннего отвала, сложенная алевролитами с посадкой лесных культур (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Фрагменты горно-промышленных ландшафтов на разрезе «Бородинский»: вверху: слева – участок № 2; справа – участок № 3; внизу: слева – участок № 4; справа – участок № 5

Комплексные показатели обследованных локальных участков представлены в табл. 2.8. Анализ ее данных свидетельствует о достаточно высокой продуктивности земель (участки № 1, 2, 3), сложенных техногенной смесью из ПСП, ППП и четвертичных отложений. Параллельно с этим установлено снижение темпов роста сосен на участке № 5 относительно деревьев, произрастающих на участках № 1 и 2, а также низкая продуктивность фитомассы на участках № 4 и 5. Анализ данных таблицы позволяет определить структуру ПСП, ППП суглинков в корнеобитаемом почвенном слое в диапазоне 1:1:12–1:1:15 для ландшафтов с продуктивностью фитомассы на уровне 60–100 ц/ га, что говорит о высокой экологической эффективности.

Корнеобитаемый слой из техногенной смеси ПСП, ППП и суглинков может быть подготовлен в результате совмещения работ по их снятию в горнотехнической рекультивации с производством вскрышных работ. В этой связи весьма важным является решение научной задачи, связанной с прогнозированием изменения агрохимических показателей формируемого корнеобитаемого слоя и потерь почв.

Таблица 2.8

Характеристики горно-промышленных ландшафтов

Эколого-экономическое обоснование структуры почвообразующего слоя, наносимого на отвалы

Производство работ по горнотехнической рекультивации земель предусматривает выполнение следующих этапов: снятие ПСП бульдозером, погрузка и его доставка до отвалов, нанесение ПСП на поверхности отвалов и разравнивание, вспашка почвенного слоя, внесение удобрений, посадка трав. Затраты на проведение рекультивации прямо пропорциональны объемам выполняемых работ. Максимальный экологический эффект при восстановлении земель заключается в высокой продуктивности земель и оценивается на уровне 60–65 ц/га при мощности нанесенного ПСП, равной 40 см. Аналогичный эффект достигается при создании поверхностей отвалов из техногенной смеси суглинков с ПСП. Причем содержание гумуса в почвообразующем слое мощностью до 2 м находится в диапазоне 0,6–1,2 %.

Сделать окончательный вывод об экологически адекватной рекультивации породных отвалов позволяет сравнительный комплексный анализ продуктивности земель и удельных затрат, связанных с достижением этой продуктивности. Экономические показатели на рекультивацию земель представлены на рис. 2.23. На графике нижняя кривая отображает удельные затраты на единицу (центнер) продуктивности земель, восстановленных в ходе горнотехнической рекультивации.

Рис. 2.23. Изменение продуктивности рекультивированных земель и удельных затрат на ее обеспечение

Анализ графических построений на рис. 2.23 показывает, что минимальные затраты на рекультивацию земель и высокая продуктивность восстановленных земель достигаются за счет создания культурных ландшафтов путем посадки хвойных пород деревьев (сосна) в ряд, а в междурядьях путем посева бобовых культур (люцерна, донник).

2.4. Технико-экономические показатели производства работ по вовлечению в сельскохозяйственный оборот ранее рекультивированных породных отвалов

Одной из стратегий восстановления нарушенных агроландшафтов является рекультивация вскрышных отвалов, создаваемых угольными разрезами при добыче угля. Для принятия решения о дальнейшем применении существующих технологий горнотехнической рекультивации необходимо провести оценку затрат на ввод в сельскохозяйственный оборот ранее рекультивированных отвалов.

Результаты комплексных исследований поверхностей рекультивированных отвалов свидетельствуют о низких качественных и количественных показателях восстановленных земель. Вследствие этого необходимо проведение организационно-технологических мероприятий для доведения указанных показателей до нормативных значений. Перечень основных видов работ по повышению продуктивности земель рекультивированных породных отвалов представлен на рис. 2.24.

Алгоритм оценки финансовых вложений на вовлечение в сельскохозяйственный оборот земель рекультивированных отвалов представлен на рис. 2.25.

Планировку поверхности отвалов проводят при несоответствии параметров рельефа нормативным требованиям. Ресурсные вложения в этот вид работ определяются количеством машино-смен соответствующего оборудования (бульдозеры, грейдеры) и напрямую зависят от площади отвала, на которой требуются планировочные работы. Затраты на планировку участка отвала площадью 100 га составят от 90 до 120 тыс. руб. Статья расходов на этот вид работ имеет удельный вес 5–10 % в структуре общих затрат на вовлечение в оборот рекультивированных поверхностей отвалов.

Доведение мощности почвенного слоя на отвалах согласно ГОСТу требует снятия плодородного слоя почвы (ПСП) в горном отводе и транспортировки его до отвала. Затраты на этот вид работ определяются расстоянием транспортировки и объемом ПСП. Уровни финансовых затрат в увязке с объемом перемещаемого ПСП на рекультивированные отвалы площадью 100 га и дальностью его транспортировки представлены графически на рис. 2.26.

Статья расходов на этот вид работ имеет удельный вес 30–35 % в структуре общих затрат.

Нанесенный почвенный слой на сданных в сельскохозяйственный оборот поверхностях отвалов характеризуется низкими качественными показателями. Как правило, биологический этап рекультивации не решает проблемы доведения качественных показателей рекультивированных земель до уровня естественно-антропогенного. Для решения этого необходимы ресурсные вложения в повышение продуктивности восстановленных земель. На практике в агропромышленном комплексе эффективным направлением повышения естественного плодородия считается внесение органических и минеральных удобрений.

Затраты на этот вид работ определяются расстоянием транспортировки органических удобрений в необходимом объеме. Последний рассчитывают исходя из нормативных значений в увязке с фактическими показателями плодородия рекультивированных земель. Статья расходов на этот вид работ имеет удельный вес 35–40 % в структуре общих затрат.

Рис. 2.24. Перечень основных видов работ по восстановлению земель ранее рекультивированных отвалов

Рис. 2.25. Блочная модель определения инвестиций на восстановление земель ранее рекультивированных отвалов

Рис. 2.26. Изменение затрат на доведение мощности рекультивированного почвенного слоя на поверхности отвалов до нормативных показателей

Наличие в рельефе отвалов понижений требует заполнения их грунтом. Нанесенный ранее почвенный слой перемещают бульдозером к линии излома рельефа, далее в основание отсыпают вскрышные породы с учетом толщины насыпаемого сверху ПСП. Мощность последнего принимается равной 0,5 м. Затраты на этот вид работ определяются расстоянием транспортировки вскрышных пород и ПСП. Статья расходов на этот вид работ имеет удельный вес 20–25 % в структуре общих затрат.

Итак, суммарные затраты на все виды работ при вовлечении ранее рекультивированных отвалов в сельскохозяйственный оборот составляют 9–12,0 млн руб. на каждые 100 га площади отвалов, что является серьезным обоснованием для отказа от существующих технологий горнотехнической рекультивации земель.