XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Восстановление растительного покрова на техногенных отвалах Итатского буроугольного месторождения КАТЭКа

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Макаров Р.А. 1

---

1МБУДО "Дом детского творчества"

Муковозчикова Е.Н. 1

---

1МБУДО "Дом детского творчества"

Работа в формате PDF

603.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Красноярский край относится к наиболее угленасыщенным регионам Земли, его угленосность в 8,5 раз выше средней угленосности суши планеты [7]. Одним из крупнейших угольных бассейнов в центральных районах Красноярского края является Канско-Ачинский буроугольный бассейн, в составе которого разведано 34 месторождения. В настоящее время разрабатываются - 11. В результате открытой добычи топлива из сельскохозяйственного оборота изымаются большие площади наиболее плодородных земель, происходит коренная трансформация рельефа, исчезают поверхностные реки, деградирует почвенный покров, и формируются техногенные образования: отвалы, искусственные водоёмы. Во всех бурых углях Сибири определены значительные концентрации редких и рассеянных элементов, которые при открытой разработке в результате перераспределения вещества начинают оказывать влияние на окружающую среду [4]. В результате открытой добычи углей в зимний период происходит накопление вредных веществ в снеговом покрове, которые при таянии снега переходят в почву и воду [6]. По данным Государственного доклада «О состоянии и использовании земель в Российской Федерации» по состоянию на 1 января 2020 года площадь нарушенных земель в России составила 1057,8 тыс. га, что на 6,5 тыс. га больше по сравнению с предыдущим годом. По состоянию на 1 января 2020 года этот показатель в Красноярском крае составил 17,3 тыс. га, рекультивировано всего 1167 га земель [7]. Таким образом, при низких темпах рекультивации становится важным изучение скорости естественного восстановления растительного покрова на отработанных землях, в том числе, буроугольных месторождений.

Проблема заключается в том, что естественное восстановление земель, нарушенных добычей полезных ископаемых, на территориях угольных месторождений не происходит или идет очень медленно. Гипотеза: предполагается, что скорость сукцессий на техногенных отвалах буроугольных месторождений КАТЭКа зависит не только от региональных природных особенностей, но и токсичности грунтов.

Объект исследования: Сукцессии, грунты техногенных отвалов Итатского буроугольного разреза. Предмет исследования: изучение естественного зарастания разновозрастных техногенных отвалов Итатского буроугольного месторождения.

Цель работы: на основе изучения сукцессий естественного растительного покрова на разновозрастных техногенных отвалах Итатского буроугольного разреза определить степень восстановления фитоценозов в условиях западного участка Канско-Ачинской лесостепи. Задачи:1. Определить возраст техногенных отвалов на разных участках Итатского буроугольного разреза и заложить пробные площадки для описания фитоценозов. 2. Отобрать растительный материал, отражающий видовой состав фитоценозов и обильность видов. 3. Выявить основные стадии зарастания нарушенных ландшафтов на разновозрастных отвалах Итатского разреза и дать сравнительную характеристику катен от аллювиальной позиции до аккумулятивной. 4. Определить зависимость сукцессий от токсичности грунтов техногенных отвалов месторождения.

Разработанность темы исследования. Учение о сукцессиях стало особенно актуальным в современном мире в связи с активным преобразованием окружающей среды. Канско-Ачинская лесостепь наиболее остро подверглась антропогенным нарушениям в связи с открытой разработкой бурых углей КАТЭКа. Д.Ю. Ефимовым, А.С. Шишикинымуказывается,что растительный покров техногенных ландшафтов формируется в сложных почвогрунтовых условиях, для которых характерны резкие смены параметров среды - подвижка грунтов, контрастность температуры поверхности, провальность и застойность увлажнения, водная и ветровая эрозия [2]. Подобные условия среды связаны с составом подстилающих пород, формой рельефа отвалов, а также спецификой регионально-локального климата. Положение сильно усложняется, когда в техногенные отвалы выносятся токсичные для растений и животных породы [2]. В однородных климатических условиях можно проследить большие различия в формировании растительного покрова на отвалах разного типа. В результате «техногенной дивергенции» возникают совершенно различные виды ландшафтных образований. Более подробно эти ландшафтные выделы рассмотрены Л. В. Моториной, В. И. Федотовым, Т. И. Ижевской [4].

Работа опирается на данные, полученные в ходе исследований в течение 2012-2016 годах А.И. Беспаловой, в результате которых было изучено влияние открытой разработки бурых углей КАТЭКа, токсичности грунтов техногенных отвалов на биоту методами флуктуирующей асимметрии по Taráxacum officinále F.H. Wigg[1]. Было определено влияние открытой добычи бурых углей, которое проявляется в биоповреждениях у 43% листовых пластинок Taráxacum officinále Web: некрозах, хлорозах листьев одуванчика лекарственного, уменьшении площади листовой пластинки в 3,5 раза и усилении её расчленённости [2]. Причиной этого являются, в том числе, особенности микроэлементного состава, соединения которых входят не только в состав углей, но и вскрышных пород.

Новизна работы заключается в том, что впервые рассматривается проблема естественного зарастания техногенных отвалов Итатского буроугольного разреза с учётом лимитирующих факторов. Работа апробирована на Всероссийских юношеских чтениях им. В.И. Вернадского (2022г.)

Методы исследования

Для реализации поставленных целей и задач были проанализированы топографические, геологические карты и спутниковые снимки территории Итатского разреза с 1984 по 2021 гг. Маршрутным методом на разновозрастных отвалах были определены основные пробные площадки размером 5х5 м. Стационарным методом производился сбор растительного сырья с пробных площадок трёх катен отвалов 1-5, 5-15, 15-25-летнего возраста и возраста более 30-и лет. Обилие видов растений оценивалось по шкале Друде. Коэффициент флористической общности рассчитывался по Жаккару с использованием формулы Kj=c/(a+b-c), где а - количество видов на 1 площадке, в – количество видов на 2 площадке, с – количество общих видов [4]. Виды растений определялись по «Определителю растений юга Красноярского края». Выполнялась гербаризация растений. Химический состав образцов грунта определялся с помощью титриметрических, визуально-колориметрических методов и турбидиметрическим методом по мути. В ходе исследования методами биотестирования определялась токсичность грунтов, и способность восстановления естественного растительного покрова. Обработка растительного материала и сравнительная характеристика катен в зависимости от видового разнообразия растений на позициях отвалов проводилась по методу сукцессионных связей. Обработка информации, полученной в ходе исследования, сводились к статистической обработке данных.

Рис.1. Гербаризация растений

Результаты исследования

Итатское месторождение относятся к Канско-Ачинскому буроугольному бассейну и расположено в лесостепной природно-ландшафтной зоне Причулымской аккумулятивной равнины. Рельеф равнинный, местами холмисто-увалистый, с отметками до 250-300м относится к слабопокатому восточному склону междуречья рек Тяжин и Чулым. Преобладающие почвы - выщелоченные чернозёмы, под берёзово-осиновыми колками - светло-серые лесные. Площадь, которую занимает Итатское месторождение, составляет 650 км², глубина залегания угольных пластов до 400м. Разработка буроугольного месторождения началась в 1984 году в северо-восточной части посёлка Итатский. В результате образовались разновозрастные отвалы вскрышных пород: 1-5, 6-10, 11-20-летнего и возраста более 30 лет, представленные перемешанными породами юрского и мелового возраста (рис.2).

Рис.2. Картосхема разновозрастных техногенных отвалов Итатского буроугольного разреза

Для анализа брались образцы грунтов со склона и с поверхности отвала. Грунты отличаются рН от нейтральной до щелочной. Кроме того, химический анализ показал наличие в них хлоридов (71 мг/л в обоих образцах), карбонатов, нитратов 100 - 500мг/л. Содержание сульфатов было выявлено только в образце грунта, взятого с плоской поверхности отвалов. Микроэлементный состав характеризуется наличием соединений, которые входят не только в состав углей, но и вскрышных пород (Ge, Co, Se, U, Nb, Ta, Y, Zr и др.) [1,3]. Отработанные карьеры глубиной 10 и более метров заполнены водой.

Поверхности реплантозёмов выравнены, имеют микрозападины. Разновозрастные отвалы имеют крутые склоны, покрытые эрозионными рытвинами, отделяются друг от друга ложбинами, отличаются друг от друга степенью зарастания и видовым составом растений (рис.3).

Рис.3. Отработанный карьер и вскрыша Итатского разреза (фото автора)

В результате открытой разработки бурого угля сукцессия на реплантозёмах началась с катастрофической фазы, в результате которой выпало большинство исходных видов. Отвалы 1-5 года формирования относятся к начальной стадии первичной сукцессии, характеризуются или отсутствием растительности, или её скудностью. Количество видов не превышает двух, доминантный вид - полынь обыкновенная, осот полевой (рис.4).

Рис.4. Катастрофическая стадия. Пионерная группировка растительности реплантозёма до 5 лет (фото автора)

Количество экземпляров - единичные растения. Такое медленное зарастание вскрышных пород угольных отвалов объясняется низкой влажностью почвы, повышенной инсоляцией, токсичностью грунтов (Таблица 1).

Таблица 1

Характеристика ключевых участков растительности разновозрастных техногенных отвалов Итатского буроугольного разреза

Пионерные группировки растений наиболее приспособлены к неблагоприятным условиям среды. Биоценозы характеризуются монодоминантной структурой, бедностью и однообразием состава. Длительному отсутствию растительности на склонах способствует их большая крутизна, которая достигает 60⁰, обвальные процессы, смыв грунта, выдувание. Кроме того, длительность абиогенной стадии приводит к выносу элементов минерального питания, что в дальнейшем замедляет процесс восстановления растительного покрова и накопления гумуса.

Техногенные отвалы более пяти лет характеризуются следующей стадией сукцессии. В это время происходит зарастание склонов и плоских поверхностей. В качестве пионерной растительности развиваются мать-и-мачеха (TussilagofarfaraL.), осот полевой (SonchusarvensisL), которые доминируют в фитоценозе (таблица 1). Большая часть растений является рудеральными видами или сорными. Склоны и поверхности отвалов имеют ещё разреженную растительность, проективное покрытие которой составляет от 20 до 30%, что способствует развитию водной и ветровой эрозии.

Растительность отвалов, возраст которых превышает 30 лет, характеризуются восстановительной фазой сукцессии. Однако способность к восстановлению растительного покрова низкая. Это видно по разреженной растительности на выровненных поверхностях вскрыши, проективное покрытие которой составляет 30-55%. На отдельных участках, отличающихся от соседних грунтами светло-серого цвета, растительность отсутствует (рис.5).

Рис.5. Растительность на техногенных отвалах Итатского разреза. Возраст 38 лет (фото автора)

На разных участках одновозрастного отвала наблюдаются разные фитоценозы. Нами выделено три позиции катен (катена - закономерная последовательность расположения на склонах или вокруг водоемов элементарных природных комплексов).

На выровненной поверхности вскрыши - элювиальная (Эль), на склоне - транзитная (Транс), у подножия - аккумулятивная (Ак) катена (рис.6).

Рис.6. Позиции катен на техногенных отвалах Итатского буроугольного разреза

В результате разных условий на ключевых участках катен растительный состав представлен следующими видами. На элювиальном участке старых техногенных отвалов доминантами являются бобовые: клевер луговой (TrifoliumpratenseL.) и клевер ползучий (TrifoliumrepensL.), осот полевой (SonchusarvensisL). Это растения, способные противостоять неблагоприятным условиям среды. Несмотря на близость березово-сосновых колков подроста нет. Отмечаются единичные экземпляры подроста облепихи до 1 м. высотой, семена которой были занесены с рекультивируемого участка. Количество видов - 9 (Приложение 1).

На ключевых участках транзитной катены в верхней части доминирует мать-и-мачеха, ниже по склону по ложбинам стока - донник лекарственный (Melilotusofficinalis (L.) Pall.) и донник белый (MelilotusalbusMedik). Наибольшее проективное покрытие наблюдается по ложбинам стока. По склону отвалов состав растительности меняется отмонодоминантного к полидоминантному с увеличением количества видов, характерных для луговых участках лесостепи. Участки аккумулятивной катены представляют собой растительность близкую по составу к разнотравной луговой лесостепи. Доминирующими являются растения семейства злаков и бобовых. Растения произрастают в несколько ярусов. Это полидоминантные многовидовые растительные сообщества. Многообразие видов определяется наиболее благоприятными условиями: накоплением на позиции катены минеральных веществ, наличием достаточного увлажнения. Коэффициент флористической общности между видовым составом элювиальной катены и аккумулятивной равен 0,04, между транзитной и аккумулятивной катенами - 0,05, что говорит о медленном восстановлении разнотравной лесостепи на месте добычи бурых углей.

В лабораторных условиях нами было проведено биотестирование грунтов.Для этого в одинаковые контейнеры с грунтами разного состава, взятых с позиций элювиальной и транзитной катен отвалов 38-летнего возраста была высажена смесь семян луговых трав (по 50 семян на контейнер). Контролем служил контейнер с почвой, отобранной на лесостепном участке. Ежедневно фиксировалась всхожесть семян. Через две недели были определены всхожесть и энергия прорастания семян, растения были извлечены из контейнеров и взвешены.

Было определено, что грунты элювиальной катены менее токсичны, по сравнению с грунтами транзитной катены, что подтверждает наличие лимитирующего фактора, который замедляет темпы естественного зарастания. Всхожесть семян луговых трав в грунтах элювиальной катены составила 20% и 36% транзитной, последняя меньше показаний контроля на 65% (рис.7).

Выводы

Показано, что на территории Итатского буроугольного месторождения в течение 38 лет сформировались разновозрастные отвалы, представленные перемешанными юрскими и меловыми аргиллитами, алевролитами, среднезернистыми песчаниками, разнообразной по минералогическому составу галькой и дресвой с различной минерализацией токсичных микроэлементов.

Определено, что восстановление естественных биоценозов происходит очень медленно, неравномерно на разных участков техногенных отвалов и осложняется региональными факторами: крутыми склонами, недостатком влаги на выровненных поверхностях элювиальной катены, токсичностью грунтов.

Выявлено, что сукцессия отвалов до 5 лет находится на начальной стадии и представлена монодоминантными маловидными растительными сообществами, основным доминантом которой являются полынь. Пионерная растительность техногенных отвалов 10-летнего возраста представлена рудеральными сообществами местной растительности.

Сукцессии отвалов Итатского буроугольного разреза двадцатилетнего возраста и более находятся на восстановительной стадии, проходят неравномерно и отличаются в зависимости от позиции катен. Наиболее близкой к естественному составу луговой растительности Ачинско-Боготольской лесостепи является позиция аккумулятивной катены. Несмотря на близкое расположенные берёзово-сосновых колков, лесная стадия сукцессии до сих пор не началась.

Доказано, что разный минералогический состав грунтов по-разному влияет на степень зарастания отвалов. Токсичные грунты, повышенной щёлочности, несмотря на наличие в них банка семян, не зарастают даже травянистой растительностью.

Литература

Беспалова А.И. Влияние открытой разработки бурых углей КАТЭКа на геосреду / А.И. Беспалова // Материалы Юбилейной конференции, посвященной 115-летию Красноярского краевого отделения Русского географического общества - Науч. ред. Г. Ю. Ямских - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2016. – 201 с.

Ефимов Д. Ю. Растительный покров рекультивированных отвалов

угольных разрезов Канской лесостепи / Д. Ю. Ефимов, А.С. Шишикин // Наземные экосистемы - Красноярск, 2014.- с

Маслов С.Г. Исследование распределения минеральных примесеокисленных бурых углях Итатского месторождения / С.Г. Маслов, А.Б. Трофимов, С.И. Арбузов // Известия Томского политехнического университета. – Химия, №3 2010. – 126с.

Моторина Л. В. Сравнительная характеристика растительного покрова на отвалах открытых разработок бурого угля и железной руды / Л. В. Моторина, Т.И. Ижевская // Растения и промышленная среда: Сб. науч. тр. Свердловск, 1980. С 80-87.

Титлянова А.А. Сукцессии в травяных экосистемах/ А.А. Титлянова- Новосибирск: Изд-во Сиб. отд-ния Рос. акад. наук, 2016. - 191 с.

Ярошенко П.Д. Геоботаника. Основные понятия, направления и методы / П.Д Ярошенко – Москва: Изд-во АНСССР, 1961.- 474 с

Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Красноярского края» на 2020 год - Красноярск, 2020 – 243с.

Приложение 1

Видовой состав и обилие видов растительных группировок ключевых участков техногенных отвалов Итатского буроугольного разреза

Обозначения: Cop3 – очень обильно; Cop2 – обильно; Cop1 – довольно обильно; Sol – единично; Sp – рассеяно; Un – единственный экземпляр