Естественное зарастание отвалов

Вид последующего использования нарушенных территорий определяется на основе совокупного учета многих факторов, среди них на первое место следует поставить ценность земли, интересы народнохозяйственного планирования, перспективы развития данного района и т. д. Большое значение имеют и свойства грунтов, формирующих отвалы, степень пригодности их для нормального произрастания растений. Различие природных условий, характерных для разных зонально-географических районов страны, является также одним из факторов,' определяющих направление и скорость восстановления земель с помощью биологических методов, в частности путем самозарастания. Как отмечалось ранее, промышленные отвалы представляют собой первичные экотопы техногенного происхождения. Освоение первичных экотопов начинается с поселения в верхних слоях их низших организмов – бактерий и водорослей. Изучение начальных этапов сингенеза растительности на промышленных отвалах показало принципиальную схожесть этого процесса с природными образованиями. Так, зола тепловых электростанций характеризуется очень низкой микробиологической активностью и развитие бактерий практически не происходит. Микробиологическая стерильность характерна и для отвалов цветной металлургии. Интенсивность развития микроорганизмов на промышленных отвалах во многом зависит от реакции среды грунтов и агротехнических приемов, применяемых при создании искусственных сообществ на отвалах, а также от микрорельефа. Так, отмечается значительное увеличение активности микрофлоры при условии применения даже простейших методов мелиорации грунтов. Нанесение почвенного покрытия мощностью всего лишь 2 см активизирует деятельность полезных микроорганизмов более чем в 20 раз.

На разных типах отвалов обнаружены и почвенные водоросли, являющиеся, как известно, первыми поселенцами растительности и первыми гумусообразователями на выветривающихся горных породах, речных песках, вулканическом пепле и т. д. Исследованиями, выполненными к настоящему времени, установлено присутствие различных видов водорослей на грунтах (субстратах) различной химической природы. Незначительное разнообразие их обнаружено на отвалах, токсичных для растений, таких, например, которые сложены отходами, содержащими цианистый калий, мышьяк и другие соединения. На отвалах, сложенных нетоксичными грунтами (субстратами), видовое разнообразие водорослей увеличивается. Наличие среди них фотосинтезирующих видов приводит к образованию в верхних слоях отвалов органического вещества, количество которого хотя и незначительно, но тем не менее способствует началу преобразования безжизненных площадей в продуктивные в будущем территории. Однако накопление органического вещества в отвалах за счет деятельности водорослей происходит медленно и неравномерно в связи с тем, что верхний слой отвалов подвергается дефляции. Сформировавшиеся сообщества водорослей переносятся с одного участка отвалов на другие, и процесс начинается сначала.

Среди видов водорослей, которые первыми поселяются на отвалах, обнаружены азотфиксирующие организмы. Отсутствие азота в породах, вынесенных из недр земли или образовавшихся в результате переработки полезных ископаемых, является фактором, ограничивающим развитие высших растений на отвалах. Поэтому накопление азота за счет деятельности водорослей – азотфиксаторов способствует формированию естественных растительных сообществ из высших растений.

Большой интерес и практическую значимость имеют данные о количественной стороне фиксации атмосферного азота и обогащении им субстратов отвалов, о способности к накоплению органического вещества на отвалах. Очевидна необходимость разработки приемов, ускоряющих развитие организмов, первыми заселяющих техногенные субстраты различных типов, а также методов искусственной альгализации их. Накопление органического вещества и связанного азота за счет деятельности микроорганизмов будет способствовать интенсификации почвообразовательного процесса и, как следствие этого,– процесса заселения отвалов высшими растениями.

Таким образом, бактериально-водорослевый этап, являясь начальным этапом сингенеза растительности на промышленных отвалах, имеет большое значение в последующем поселении и развитии сообществ высших растений.

Особый интерес как в теоретическом, так и в практическом отношении представляет формирование на отвалах естественных растительных сообществ из высших растений. Начальный этап заселения отвалов семенами и диаспорами высших растений начинается во многих случаях одновременно с поселениями микроорганизмов. Однако жизненность проростков оказывается очень низкой, и роль их в начальных этапах сингенеза, очевидно, связана главным образом с накоплением органического вещества в грунтах (субстратах), формирующих отвалы. Формирование же естественным путем продуктивного почвенного и растительного покровов на отвалах всех типов происходит очень медленно, начинаясь с поселения случайных видов, преимущественно сорной флоры.

Факторами, лимитирующими развитие естественного расти-'ельного покрова, являются не только неблагоприятные агро-•имические показатели грунтов (субстратов) отвалов, но и их 'есструктурность, а также зонально-географические условия асположения таких территорий и наличие источников обсеменения.

К настоящему времени имеются данные, характеризующие естественные растительные сообщества. Эти данные приведены в работах как отечественных, так и зарубежных исследователей. Установлена зависимость скорости естественного зарастания и видового состава растительности от степени пригодности для нее слагающих грунтов. Выявлены виды, первыми поселяющиеся на отвалах. К ним относятся бескильницы, мать-и-мачеха, все виды лебеды, донник и другие, поселяющиеся первыми на нетоксичных субстратах отвалов перерабатывающей промышленности, расположенных в лесной зоне. Растения – пионеры на токсичных субстратах – это сведа рожконосная, солянка и другие, являющиеся индикаторами на засоленность субстрата или реакцию его среды. Отвалы открытых горных разработок полезных ископаемых, поверхность которых сформирована благоприятными по химическому составу грунтами, зарастают более интенсивно. Однако в ряде случаев и на них в течение первых 5–10 лет растительность представлена пионерными группировками. Флористический состав их определяется главным образом эдафическими условиями. С возрастом отвалов пионерные растительные группировки сменяются разно-травно-злаково-бобовыми. Возрастает экологическая дифференциация видов: выделяются виды, определяющие физиономич-ность формирующихся растительных сообществ, а также виды, имеющие определенную хозяйственную ценность и представляющие интерес для использования при создании искусственных растительных сообществ. Это виды люцерны (желтая, люпиновид-ная), пырей ползучий, тимофеевка луговая, клевер (луговой, гибридный и белый) и другие многолетние травянистые растения.

В целом для отвалов, сложенных нетоксичными отходами перерабатывающей промышленности, расположенных в зоне достаточного увлажнения, характерно образование простых несомкнутых растительных группировок, формирование которых происходит в течение первого десятилетия после окончания эксплуатации отвалов. В состав таких растительных группировок входит небольшое число видов местной флоры, многие из которых по своей фитоценотической характеристике относятся к сорным. В таежной зоне начало естественного формирования травянистых ценозов связано с образованием первичных группировок с хорошо выраженным водорослево-моховым покровом. В лесостепной зоне начальный этап сингенеза естественной растительности на отвалах представлен бурьянистой стадией с господством полыней и других сорных видов. В степной зоне главную роль в естественном зарастании также играют виды сорной флоры, отличающиеся засухоустойчивостью.

Формирование естественных растительных сообществ на отвалах предприятий цветной металлургии идет более медленными темпами. Интенсивность этого процесса определяется токсичностью, содержанием в шламах аномально повышенных количеств ряда элементов, в том числе таких, как Ni, Co, Pb, S и др. Изучение процессов естественного зарастания таких отвалов показало, что в ряде случаев оно отсутствует совсем или протекает чрезвычайно медленно. Мозаичное распределение растительных группировок по поверхности отвалов свидетельствует о том, что они не могут выполнить даже функции противоэро-зионных сообществ.

Таким образом, даже в пределах одного класса отвалов существуют значительные различия в темпах и интенсивности их естественного зарастания. В своем большинстве формирование естественных растительных сообществ процесс длительный и не всегда надежный. Кроме того, травостой, состоящий в значительной степени из сорного разнотравья, низкопродуктивен и малоценен в кормовом отношении.

Естественное зарастание отвалов I класса, экологический режим которых менее напряженный, в большинстве случаев происходит более интенсивно. Однако даже на лёссовых породах отвалов в степной зоне, пригодных по своим агрохимическим свойствам и физическим характеристикам для роста и развития растений, естественное зарастание происходит медленно, а продуктивность естественного травостоя низка. Отвалы, сложенные сульфидосодержащими породами, не зарастают в течение десятков лет. Различна скорость формирования естественного-растительного покрова на отвалах, сложенных тяжелыми и легкими грунтами, и на откосах разной экспозиции и т. д.

Однако в особо благоприятных условиях отмечено успешное самозарастание сомкнутыми сообществами с первых лет после прекращения горных работ. При этом формируются продуктивные устойчивые фитоценозы со значительным участием в их составе древесных видов. Предпосылками такого интенсивного' самозарастания являются расположение отвалов в гумидных районах лесной зоны, а также состав их (в основном потенциально плодородные с удовлетворительными водно-физическими свойствами грунты четвертичного возраста).

Исследованиями установлено, что поселению и развитию высших растений на промышленных отвалах способствуют сим-биотические отношения между травянистыми растениями и азот-фиксирующими микроорганизмами, в частности азотобактером, что улучшает условия азотного питания растений. Необходимо расширить эти исследования с включением в качестве объектов не только травянистых, но и древесных видов. Это позволит более полно отразить структуру формирующихся сообществ и дать экспериментальное подтверждение гипотезе о скорости процессов естественного зарастания.

При прочих равных условиях успешное самозарастание отмечается на небольших и невысоких отвалах, находящихся в окружении естественной растительности, сравнительно малонарушенной в результате ведения горных или иных работ. К внешним факторам, влияющим на процессы естественного зарастания отвалов разных типов, относится и выпас скота. Последний не только тормозит формирование почвенного и растительного покрова на отвалах, но может в короткий срок привести к полной деградации не только естественных растительных сообществ, но и созданных человеком.

Таким образом, решающая роль в формировании естественного растительного покрова на промышленных отвалах принадлежит эдафическим факторам. Следовательно, улучшение условий произрастания растений должно сопровождаться ускорением развития естественной растительности на отвалах.

Изучение процессов сингенеза естественной растительности на грунтах разной химической природы показало, что интенсивность их значительно выше при нанесении на поверхность минимального слоя почвы, торфа или потенциально плодородного грунта мощностью от 2–5 до 10 см. Поступающие на отвал с плодородным материалом семенные зачатки приводят к заметному увеличению флористической насыщенности пионерных группировок. Подобное явление было отмечено на отвалах, сформированных как нетоксичными грунтами (золоотвалы ТЭЦ Урала и Кузбасса), так и обладающих токсичностью (шламы алюминиевого, молибденового и вольфрамового производства).

Высокоэффективным способом мелиорации отвальных площадей, заметно ускоряющим процессы естественного зарастания их, является полив сточными бытовыми водами, отвечающими по содержанию взвешенных частиц санитарно-гигиеническим нормам. Однако эффект от подобных агротехнических мероприятий на отвалах, сложенных токсичными грунтами (субстратами), кратковремен вследствие просоления нанесенного слоя почвы. Изменение химического состава его приводит к тому, что в составе растительности доминирующими оказываются виды, устойчивые к данному неблагоприятному фактору среды, например к засолению. Поэтому использование этого метода, как правило, целесообразно лишь в том случае, когда ставится задача временной стабилизации отходов.

Применяемые способы мелиорации приводят к ускоренному развитию корневых систем растений, осваивающих субстрат на значительно большую глубину, чем мощность нанесенного слоя почвы, в котором, однако, сосредотачивается основная масса корней. На площадях, подвергающихся мелиорации, расположенных в пределах лесной и частично лесостепной зон страны, формируются достаточно продуктивные фитоценозы, в отдельных случаях по запасу надземной и подземной масс не уступающие продуктивности подобных естественных фитоцено-зов, произрастающих вблизи нарушенных земель. При условии применения полива сточными водами формируются сообщества даже более высокопродуктивные, чем естественные. Определенный, хотя и кратковременный эффект для ускорения процессов естественного зарастания может быть получен и от применения удобрений.

Таким образом, очевидно, что формирование на отвалах всех типов продуктивных биоценозов определяется ходом (и направлением) начальных этапов почвообразования. «Землева-ние» интенсифицирует почвообразовательный процесс за счет более интенсивного развития почвенных микроорганизмов. Последние мобилизуют потенциальное плодородие грунтов, постепенно накапливая в нем органическое вещество и, прежде всего, азот в доступной для растений форме, способствуя этим поселению, закреплению и развитию высших растений. Варианты сингенетических смен, а также скорость их прохождения, совершающихся в целом по схеме: пионерная стадия – стадия многолетних растений – древесно-кустарниковых, зависят от конкретных условий объекта.

Таким образом, для решения вопроса о возможности естественного восстановления земель и целесообразности его в определенных условиях необходимы специальные геоботанические исследования с детальной флористической характеристикой сообществ и анализом их продуктивности, позволяющие конкретно решить вопрос для данного объекта. В некоторых случаях возможна ориентация на естественное биологическое восстановление площадей. Для повышения продуктивности формирующихся сообществ необходимо лишь определенное содействие природе (подсев семян, подсадка древесных растений или улучшение свойств грунта путем их химизации и т. д.).

В подавляющем же большинстве случаев для отвалов, сложенных минеральными грунтами, характерно замедленное формирование естественных растительных сообществ. Состав их в основном из растений сорно^луговой группы приводит к образованию сообществ с низкой продуктивностью и качеством травостоя. Накопленный фактический материал, характеризующий сингенез растительности на отвалах разных типов, далеко не исчерпывает все вопросы, представляющие научный и практический интерес. Необходимо отметить, что в основном все сведения о процессах самозарастания касаются характеристики отвалов, расположенных в пределах умеренной климатической зоны СССР–районах лесной, лесостепной, частично степной зон страны. Для этих районов сделаны попытки установления определенных закономерностей формирования естественного растительного покрова в зависимости от свойств грунтов, слагающих отвалы, и их зонально-географического положения. Анализ этих Данных показывает, что на начальных стадиях поселение растительности определяется главным образом эдафическими факторами, в то время как на более поздних – отчетливо проявляется зональность этого процесса.

Требуют расширения работы по изучению самозарастания отвалов, расположенных в условиях аридного климата и в районах Крайнего Севера, почти не затронутых к настоящему времени рекультивационными работами. Между тем площади нарушаемых земель в этих районах растут быстро. Изучение процессов естественного зарастания отвалов в этих условиях не только пополнит сведения о зональных закономерностях формирования растительного покрова на техногенных субстратах, но и поможет при последующем проведении их рекультивации.

Исследования формирования естественного растительного покрова на техногенных образованиях –промышленных отвалах разных типов, характеризующихся, с одной стороны, комплексом общих показателей физических свойств и химического состава и, с другой – отличающихся индивидуальностью и специфичностью и расположенных к тому же в разных зонально-географических районах страны, представляют особый интерес в плане динамики растительности, ее влияния на скорость и направление процесса первичного почвообразования. Кроме того, изучение флористического состава формирующихся растительных группировок окажет неоценимую помощь при выборе ассортимента растений для создания искусственных растительных сообществ в конкретных условиях среды.

Задачи оптимизации окружающей среды требуют создания на землях, нарушенных промышленностью, растительных сообществ, выполняющих не только функцию санитативных. или декоративно-озеленительных, но и обладающих достаточно высокой продуктивностью и кормовой ценностью. Они могут быть решены при условии формирования культурфитоценозов заданного состава и структуры.