АНТРОПОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ЛАНДШАФТОВ: ОПЫТ ЛЕСНОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ И ОПТИМИЗАЦИИ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ANTHROPOGENOUS TRANSFORMATION OF LANDSCAPES: EXPERIENCE OF FOREST RECULTIVATION AND OPTIMIZATION STATE OF ENVIRONMENT

А.Ю. Кулагин

A.Yu. Kulagin 

Уфимский Институт биологии РАН

(Россия, 450054, Уфа, пр-т Октября, 69) 

Ufa Institute of Biology RAS

(Russia, 450054, Ufa, Prospekt Octobrya, 69)

e-mail: coolagin@list.ru

Лесная рекультивация отвалов горно-добывающей промышленности в лесостепной зоне и степной зоне обеспечивает биологическую консервацию токсичных компонентов, восстановление естественных биогеохимических циклов, снижение водно-ветровой эрозии и  защиту прилегающих ландшафтов от вторичного техногенного загрязнения.

Forest recultivation of dumps of the mining industry in a forest-steppe zone and a steppe zone provides biological preservation of toxic components, restoration of natural biogeochemical cycles, decrease in a water and wind erosion and protection of adjacent landscapes against secondary technogenic pollution. 

Лесостепные и лесостепные ландшафты отличаются уязвимостью при  нарушении целостности ландшафтно-природных комплексов. Естественное восстановление занимает десятилетия, и примерами являются перевыпас скота, освоение целинных земель. Южный Урал и Зауралье – регион расположения и разработки месторождений полезных ископаемых, строительстве и эксплуатации транспортных систем, переработке природных ресурсов, что негативно отражается на состоянии окружающей среды [4]. 

Наличие медно-колчеданных месторождений в Зауралье и буроугольных месторождений в Предуралье способствовало бурному развитию в регионе горнодобывающей и рудоперерабатывающей промышленности. В последние 50 лет в  ведутся интенсивные горно-рудные разработки, часть отработанных месторождений закрыта и в целом это привело к значительным нарушениям ландшафтно-природных комплексов в регионе и загрязнению окружающей среды. Отвалы горнодобывающей промышленности являются источником вторичного загрязнения  окружающей среды  –  на  отвалах  идут  эрозионные  процессы,  в результате дефляции с отвалов в атмосферу попадают тяжелые металлы, кроме того происходит  вымывание  токсикантов  с  атмосферными осадками и попадание их в поверхностные и грунтовые воды. Современное состояние исследований и практических разработок в области  биологической рекультивации и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов направлено на возврат таких земель в  сельскохозяйственное  использование. Анализ сложившейся ситуации свидетельствует  о  большой  опасности  сельскохозяйственного направления рекультивации в связи  с  проникновением  тяжелых  металлов и ряда других соединений по трофической цепи в организм человека и нанесение серьезного ущерба его здоровью. Для достижения экологического равновесия и снижения негативного воздействия техногенеза на естественную окружающую среду необходимо проведение мероприятий по сохранению и восстановлению почвенно-растительного покрова в данных антропогенно преобразованных ландшафтах [1, 2].

На основе оценки динамики естественных восстановительных процессов в техногенных ландшафтах выполнено обоснование, разработаны и апробированы способы лесной рекультивации нарушенных земель с минимальными затратами на технический этап, ориентируясь на восстановительный потенциал экосистем. При этом используются устойчивые и высокопродуктивные древесные породы и кустарники. Использование восстановительного потенциала лесных экосистем представляет новое направление в рекультивации нарушенных земель. Учитываются природно-климатические условия, степень нарушенности ландшафтов, почвенного покрова и растительности, а также особенности почвообразовательных процессов на отвалах горно-добывающей промышленности (отвалы буроугольных разработок, отвалы железорудных месторождений, отвалы медноколчеданных месторождений). В основе реализации подхода лежит возможность решения комплекса проблем, связанных с ограничением миграции  экотоксикантов  в  биосфере, обеспечением  биомониторинга проблемных в экологическом отношении территорий и ускоренным восстановлением продуктивности ландшафтов, нарушенных хозяйственной деятельностью человека.

Восстановление растительного и почвенного покровов происходит в зависимости от экологических условий отвалов и окружающих природных комплексов [4]. Под влиянием факторов внешней среды, горная порода переходит в новое качественное состояние – почву.

На участках отвалов в 1981-1983 гг. были проведены опытно-производственные работы по лесной рекультивации, а в период 1982-1986 гг. и в 2008-2014 гг. выполнены комплексные экологические исследования по оценке состояния рекультивируемых площадей [1, 5] .

В условиях отвалов Кумертауского буроугольного разреза (КБР) обнаружено высокое содержание общего углерода (21%) в почвогрунтах под насаждениями березы (табл. 1), что связано с наличием в грунтах частиц бурого угля. В отвальных грунтах под насаждениями сосны и березы реакция среды субстратов изменяется от слабощелочной до слабокислой. В течение 2-х десятилетий на отвалах КБР в почвогрунтах березовых и сосновых насаждений наблюдается снижение содержания обменных кальция и магния, подвижных форм фосфора, что связано с процессом вымывания почвогрунтов. Таким образом, на отвалах КБР складываются относительно благоприятные для произрастания древесных растений условия.

Таблица 1

Результаты химических анализов почвогрунтов КБР

В условиях отвалов Учалинского горно-обогатительного комбината (УГОК) в почвогрунтах под березовыми насаждениями содержание общего углерода значительно выше, чем под насаждениями сосны. Накоплению углерода в верхнем слое субстрата под пологом березовых насаждений по сравнению с исходными результатами способствует наличие ежегодного опада (табл. 2). В почвогрунтах под пологом насаждений сосны и березы наблюдается подкисление молодых почв, что связано со снижением содержания Са²⁺ и накоплением гумусовых веществ в верхнем плодородном горизонте. В условиях медно-колчеданных отвалов обнаружено незначительное увеличение подвижных форм фосфора в верхних частях почвогрунтов, которое следует рассматривать как следствие биологической аккумуляции.

Таблица 2

Химические свойства почвогрунтов отвалов УГОК

Отвальные грунты, ранее бывшие практически одинаковыми по качеству и количеству обменных оснований, ныне по содержанию обменных оснований отличаются друг от друга. Наибольшим количеством обменного кальция в верхнем горизонте характеризуются почвогрунты березовых насаждений (9 мг/экв), почвогрунты сосновых насаждений отличаются его наименьшим содержанием (5 мг/экв). Содержание обменного магния соответствует количеству в них обменного кальция, т.е. мало Mg²⁺ имеется в почвогрунтах под сосновыми насаждениями и больше в почвогрунтах под березовыми насаждениями. Сопоставление с материалами 25-летней давности показывает, что содержание Са²⁺ и Mg²⁺ в почвогрунтах снижается.

Следует отметить, что высокий уровень содержания металлов в почвогрунтах отвалов УГОК определяет повышенный уровень их накопления в органах сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и березы повислой (Betula pendula Roth.). Наибольшее среднесуммарное количество техногенных металлов отмечается в многолетних частях растений (корневая система, кора и ветви), а наименьшее – в ассимиляционных органах. Накопление тяжелых металлов в поглощающих корнях – адаптивная реакция, направленная на выживание древесных растений в экстремальных условиях промышленных отвалов [5].

Показано, что на отвалах происходит под пологом древесных насаждений идет формирование почвенного покрова, особенности которого определяются составом и свойством грунтов, видовым составом древесных растений, их возрастом и мозаичностью произрастания. Формирование почвенного покрова на отвалах морфологически выражено слабо, но также и четко определяется аналитически.

При сопоставлении материалов исследований 1982-1986 гг. и 2008-2011 гг. отмечено, что в процессе формирования почвенного покрова на отвалах под пологом лесных насаждений наблюдаются положительные изменения таких параметров как, общий углерод, содержание Р, рН, обменного кальция и магния, что свидетельствует о существенном вкладе насаждений сосны и березы в биологическую рекультивацию промышленных отвалов.

Лесное направление рекультивации обеспечивает решение ряда вопросов:  во-первых, многолетнюю биологическую консервацию  токсичных  компонентов  техногенных ландшафтов, во-вторых, снижение в 15-20 раз водно-ветровой эрозии и защита прилегающих ландшафтов от вторичного техногенного загрязнения, в-третьих, восстановление естественных биогеохимических циклов в пределах нарушенных  ландшафтов, в-четвертых, повышение лесистости отдельных территорий Зауралья. Однако, при выполнении работ по лесной рекультивации происходит нарушение соотношения компонентов природных лесостепных и степных ландшафтов и создаются условия для внедрения нетипичных видов флоры и фауны в степные экосистемы.

Следует отметить, что на Южном Урале и в Зауралье в пределах лесостепной и степной зон в административных границах Республики Башкортостан, Оренбургской области и Челябинской области сформирована сеть горно-добывающих предприятий, которые на протяжении многих десятилетий неизбежно оказывали негативное воздействие  на окружающую среду и уникальные ландшафтно-природные комплексы региона. Используемые сегодня технологии по многим параметрам отвечают требованиям природоохранного законодательства. Однако за многие годы сформировались  техногенные ландшафты, биологическая рекультивация и восстановление биологической продуктивности которых представляют серьезную экологическую проблему. Реализация регионально ориентированных технологий лесной рекультивации нарушенных земель предполагает минимальные затраты на горно-технический этап рекультивации, снижение вторичного загрязнения окружающей среды, а также обеспечивает сокращение сроков восстановления биологической продуктивности ландшафтов на 14-20 лет по сравнению с естественными процессами восстановления [3]. 

Исследования выполнены при поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Биологическое разнообразие» (2009-2011 гг.); Программы фундаментальных исследований ОБН РАН «Биологические ресурсы России: Динамика в условиях глобальных климатических и антропогенных воздействий» (2012-2014 гг.), грантов РФФИ №08-04-97017 и №11-04-97025, гранта Академии наук Республики Башкортостан №40/30-П (2011-2013 гг.), гранта МОН РФ № 5.4747.2011 (2012-2013 гг.). 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Баталов А.А., Мартьянов Н.А., Кулагин А.Ю., Горюхин О.Б. Лесовосстановление на промышленных отвалах Предуралья и Южного Урала. Уфа: БНЦ УрО АН СССР, 1989. 140 с.
2. Кулагин А.Ю. Ивы: техногенез и проблемы оптимизации нарушенных ландшафтов. Уфа: Гилем, 1998. 193 с.
3. Кулагин А.Ю. Лесная рекультивация отвалов горнодобывающей промышленности в Республике Башкортостан: 25-летний опыт // V междунар. науч. конф. «Восстановление нарушенных природных экосистем» (Донецк, 12-15 мая 2014 г.). Донецк: Донецк. бот. сад НАН Украины, 2014. С. 315-317.
4. Почвы Башкортостана. Т.2. Воспроизводство плодородия: зонально-экологические аспекты / Под ред. чл.-корр. АН РБ, проф. Ф.Х. Хазиева. Уфа: Гилем, 1997. 328 с.
5. Радостева Э.Р., Кулагин А.Ю. Биоаккумуляция металлов в органах древесных растений в условиях полиметаллических отвалов Учалинского горно-обогатительного комбината (Республика Башкортостан) // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2011. Т. 13, № 5 (2). С. 200-202.