Изменение продуктивности отвалов угольных предприятий Кузбасса при реконструкции растительного покрова

За период разработки угольных месторождений из недр Кузбасса добыто около 9 млрд т. угля. Следует отметить, что 3,96 млрд. т добыто за последние 20 лет.  При этом с 2000 г. по 2020 г. объемы добычи угля в России увеличились в 1,6 раза, в Кузбассе – в 2,2 раза и достигли в 2018 г. рекордных 255,3 млн т., почти 60 % от общероссийского уровня [10]. Площадь нарушенных земель в результате добычи угля составила более 100 тыс. га. Поэтому первоочередными экологическими задачами в Кемеровской области являются оптимизация существующих и разработка новых прогрессивных технологий восстановления нарушенных ландшафтов, и их широкое внедрение.

В соответствии с ГОСТ Р 57446-2017 «Наилучшие доступные технологии. Рекультивация нарушенных земель и земельных участков. Восстановление биологического разнообразия» одним из приоритетных направлений восстановления нарушенных земель является реставрационно-ландшафтная рекультивация, которая проводится с целью формирования фитоценозов, максимально приближенных по своим фитоценологическим характеристикам к состоянию исходных растительных сообществ. Однако отсутствие соответствующих технологий препятствуют широкому применению экологических принципов, утвержденных в указанном стандарте.

Другой чрезвычайно важной проблемой является сохранение плодородного слоя почвы (ПСП) при открытых горных работах. В настоящее время предприятия работают в соответствии с ГОСТ 17.5.3.06-85. «Охрана природы. Земли. Требования к определению норм снятия плодородного слоя почвы при производстве земляных работ». Поэтому весь плодородный слой буртуется и хранится в течение десятилетий. Вследствие длительного срока хранения изменяются физические и химические свойства почв, теряется агрегация, разрушаются гуминовые комплексы, происходит биологическое загрязнение, а все семязачатки растений и фауна погибают. Фактически плодородный слой превращается в потенциально плодородный почво-грунт только с более худшими физико-химическими свойствами [9], [6].

Одним из возможных подходов является реконструкция растительного покрова отвалов путем переноса жизнеспособного почвенного слоя (ЖПС) на поверхность отработанного отвала минуя стадию буртования. ЖПС содержит дериваты луговых растений (корневища, остатки живых растений), семязачатки, которые не долговечны и для получения положительного эффекта должны быть нанесены на разровненный отвал как можно скорее пока лон сохраняет свои исходные агрохимические, физические и микробиологические характеристики.  Нанесение ЖПС на поверхность отвала наиболее приближенно моделирует свойства лугов с высоким биологическим разнообразием [8].

Целью настоящего исследования является оценка изменения продуктивности растительных сообществ на отвале после реконструкции растительного покрова.

Для проведения эксперимента реконструкции растительного покрова выбран отвал вскрыши разреза «Первомайский» (ООО «Шахтоуправление «Майское»), административно находящийся на территории Прокопьевского муниципального округа Кемеровской области-Кузбасса. Объектом для снятия жизнеспособного слоя почвы (ЖСП) явились полидоминантные злаково-разнотравные луга (с большой долей участия лилейника желтого), занимающие склоны небольших холмов и увалов, незатронутых сельскохозяйственными работами. Снятие ПРС происходило с территории лицензионного участка угледобычи на стадии предпроектных комплексных экологических исследований (до начала горных работ).

На отвале был выбран участок общей площадью 1 га, где на горной песчаниковой породе с примесью аргиллитов и алевролитов, сформирован слой лессовидных суглинков мощностью 40 см. Горно технический этап заключался в снятии ЖПС и нанесения его на экспериментальный участок. В результате были сформированы пять опытных вариантов: Контроль-1 (эталонный участок луга), нанесение 60 см ЖСП, нанесение 40 см ЖСП, нанесение 20 см ЖСП, Контроль-2 (без нанесения ЖСП). Размер каждой площадки составляет 200 м2.

Для учета надземной фитомассы на каждой учетной площадке в четырехкратной повторности проводилось скашивание надземных частей на уровне почвы [3]. Камеральную обработку проводили в тот же день. Пробы разбирали на следующие фракции: условно сорные растения [2] и лугово-степные растения. Каждая фракция заворачивалась в бумагу и взвешивалась. Высушивание фракций производили в помещении с принудительной вентиляцией до постоянного воздушно-сухого состояния и повторно взвешивали на весах с точностью до 0,1 г. Наблюдения проводились в период 2019-2021 гг.

Травостой Контроля-1 густой, проективное покрытие 95–100%, высота травостоя около 100 см. Видовая насыщенность достигает до 70 видов на 100 м2. В группу постоянных доминантов входят луговые и лугово-степные виды (Hemerocallis minor, Calamagrostis epigeios, Sanguisorba officinalis, Phlomoides tuberosa, Filipendula vulgaris, Bromopsis inermis, Phleum pretense.). Продуктивность составила в среднем за три года составила 508,3 г/м2: в 2019 – 513,0±78,7 г/м2, в 2020 – 421,0±43,6 г/м2, в 2021 – 591,6±104,2 г/м2. Различия обусловлены особенностями погодных условий изучаемых периодов. Полученные результаты хорошо согласуются с продуктивностью луговых сообществ на юге Сибири, которая может колебаться от 300 до 600 г/м2 [1]. Примерно в таких же параметров она изменяется на юге Сибири и Кемеровской области [4], [7]. В варианте с нанесением 60 см ЖСП продуктивность в 2021 году была в 1,2 раза выше, чем в контроле. Скорее всего это связано с увеличением доли сорных растений этом варианте и увеличением доступности элементов минерального питания (табл. 1). В варианте с нанесением 40 см ЖСП продуктивность в 2021 году составила 478,6±81,9 г/м2, что соответствует данным за 2020 год. В варианте с нанесением 20 см ЖСП продуктивность в 2021 году была ниже на 40% от контроля и составила 354,1±28,3 г/м2. Наименьшая продуктивность ожидаемо отмечена в варианте без внесения жизнеспособного слоя почвы – 32,5±19,4 г/м2, что составляет 5,5% от контроля (рис. 2). 

В среднем за три года продуктивность в контроле (полидоминантный луг) составила 508,3 г/м2, при нанесении 60 см жизнеспособного почвенного слоя – 528,1 г/м2, 40 см – 393,8 г/м2, 20 см – 243,6 г/м2. В контроле без нанесения жизнеспособного почвенного слоя она составила 37, 2 г/м2 (табл. 1).

Рисунок 1 - Общая продуктивность в опыте по нанесению жизнеспособного почвенного слоя

Примечание: контроль (лилейниковый луг); 2 – нанесение 60 см; 3 – нанесение 40 см; 4 – нанесение 20 см; 5 – контроль (порода) – без нанесения жизнеспособного почвенного слоя

DOI:10.23670/IRJ.2022.123.33.2

В контроле доля сорных не велика, сорные виды в биомассе обнаружились в 2021 году, их доля составила 7,6% от общей биомассы. На отвале без нанесения жизнеспособного почвенного слоя доля сорных видов в биомассе составляет 77,4%. При нанесении 60 см она составляет 25,6%, 40 см – 12,7%, 20 см – 10,7%. (табл. 2).

Наблюдения за три года по накоплению биомассы в различных вариантах нанесения жизнеспособного почвенного слоя (20, 40, 60 см) во много раз выше, чем на разровненном отвале, покрытым слоем потенциально плодородных суглинков (рис. 2). При нанесении жизнеспособного почвенного слоя 60 см продуктивность опытного варианта такая же или выше, чем продуктивность естественного луга. Основу их составляют луговые растения, а сорные виды составляют за три года 25%. При нанесении слоя 40 и 20 см доля сорных растения составляет 10,7–12,7%, что можно считать очень хорошим результатом для создания природоподобного сообщества. Таким образом, перенесение жизнеспособного почвенного слоя с участков, где будут проводиться горные работы на разровненные и покрытые суглинками участки отвалов способствуют созданию природоподобных сообществ с высокой продуктивностью.

Перенесение верхнего живородящего слоя почвы на отвал позволяет создать природоподобное растительное сообщество с высоким видовым разнообразием, что не достигается при самозарастании отвала за несколько десятилетий. Применение этого способа восстановления растительного покрова на отвалах в значительной степени противодействует разрастанию сорных видов. Наличие плодородной почвы и подстилающих пород, имеющих большое потенциальное плодородие способствуют созданию высокопродуктивных угодий, мало отличающихся от контроля.