III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ЖИЗНЬ НА ТЕРРИКОНАХ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Антонова П.А. 1

---

1

Антонова Л.И. 1

---

1

Работа в формате PDF

2.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Микрорайон Куровской города Калуги когда-то был шахтёрским посёлком. Шахта была пущена в эксплуатацию 30 мая 1959 года. Проектная мощность её составила 300 тыс. тонн угля в год. Последние тонны угля шахтёрами были добыты в августе 1989 года. С 1991 года Куровская шахта завершила свою работу. В настоящее время на месте шахты остался своеобразный памятник человеческой - терриконы. Высота их составляет около15 метров, диаметр у основания около 70 метров, угол откоса от 30 до 75⁰. Терриконы имеют конусообразную форму и издалека выглядят как горы, имеющие скудную растительность.

Актуальность и новизна. Терриконы, как необитаемый остров, возвышаются на окраине микрорайона Куровской. Это место всегда интересовало и манило любопытных. Но до нашего исследования тема жизни на терриконах никого не интересовала, поэтому мы решили её освятить в цикле исследовательских работ, посвященных исследованию этого объекта. Для начала мы решили изучить флору и фауну этого места.

Цель: изучить биологическое разнообразие растительного и животного мира на терриконах, находящихся в микрорайоне Куровской города Калуги.

Задачи:

1. Охарактеризовать физические и химические свойства пород терриконов.

2. Изучить растительность, произрастающую на терриконах и прилегающих территориях.

3) Выявить состав беспозвоночных на терриконах и прилегающих территориях.

Объект исследования: растения и беспозвоночные терриконов и близлежащих территорий микрорайона Куровской города Калуги.

Предметисследования: видовой состав растений и беспозвоночных животных, встречающихся на территории терриконов в микрорайоне Куровской города Калуги.

Гипотеза: жизнь на терриконах существует и представлена неприхотливыми видами животных, в частности беспозвоночных, и растений.

II. Основная часть

1. Литературный обзор

Терриконы (фр. Terri — отвал породы, фр. Conique — конический) - это горы отработанной породы, которая остается после добычи угля или железной руды. Кроме самой пустой породы, отвалы содержат большой процент угля и солей различных металлов, в том числе радиоактивных. Довольно часто уголь в терриконах загорается. Террикон средних размеров за год выделяет до 15 тыс. тонн СО₂, до 5 тыс. тонн СО и огромное количество пыли.[10]

Отвалы горнодобывающих производств подразделяются на две основные группы - отвалы открытых разработок и отвалы глубинных выемочных работ. Природа образующихся отвалов по вышеуказанным схемам добычи полезного продукта (руды, угля) значительно отличаются. Отличия сформированы на основе происхождения осадочных пород, включающих горную руду, а также естественной временной дифференциацией сопутствующих руде микрокомпонентов. Например, отвалы горных разработок открытого типа, сформированные вблизи дневной поверхности земной коры, будут мало отличаться от состава вмещающих осадочных пород. В этой связи отвалы, как и материнские породы близлежащего ландшафтного окружения, будут служить основой почвообразовательных процессов. На таких отвалах почвенный слой мощностью в 1,5…2,0 см будет сформирован за период в 15-30 лет. Такого почвенного покрова вполне достаточно для дальнейшего развития высшей растительности. Отвалы второй группы, извлеченные из больших глубин, будут обогащены породами и элементами в восстановленной форме – Fe²⁺, S^2-, Mn²⁺, Cu⁺ и другими элементами и соединениями. Такие отвалы в адсорбированной и связанной форме (соединения внедрения) содержат рудничные газы – метан, окись углерода, аммиак, сероводород. Причинами отличий таких отвалов явились анаэробные условия залегания горной руды. После выхода на дневную поверхность такие отвалы начинают быстро вступать в химическое взаимодействие с кислородом атмосферы. Так включения пиритов (FeS2) в итоге после химического выщелачивания превратятся в гидроксиды Fe3+, серную кислоту. [11]

Физические и химические свойства почв поверхностных слоев терриконов изменяются в широких пределах. Поверхностный слой обычно быстро выветривается, смывается водой. Однако он содержит практически все минеральные элементы, необходимые для питания растений, особенно много фосфора и калия. Неблагоприятное воздействие на растения оказывают значительная кислотность, наличие большого количества подвижных форм алюминия, малая влагоемкость и высокая температура почв в очагах горения.[4]

При выпадении ливня на сухую почву терриконов решающую роль играет водопроницаемость в начальный период впитывания, а при предварительном увлажнении верхнего слоя породы до полного насыщения более существенной становится впитывающая способность породы в фазе стабилизации. Если интенсивность ливня превышает интенсивность впитывания, возникает сток воды и водная эрозия, если не превышает - эрозии не будет. Кроме того, результатом эрозии может быть и вынос в окружающую среду от пород, содержащих небезопасные компоненты.[9]

Создавая искусственные насаждения и способствуя развитию самосевной древесной растительности, можно полностью остановить эрозионные процессы на отвалах. [7]

По скорости естественного зарастания шахтные породные отвалы подразделяются на три основные группы:

1. Отвалы, образованные из неметаморфизированных и слабо метаморфизированных осадочных пород, содержащих в незначительном количестве уголь. Такие отвалы образуются из пород, выдаваемых на поверхность при проходке стволов, полевых штреков и других горных выработок, проводимых на небольших глубинах. Образуются редко, они, как правило, небольшие. Горение их если и происходит, то небольшими очагами и в течение короткого промежутка времени. Естественное зарастание происходит в первые 10 лет после окончания эксплуатации.

2. Наиболее распространенные отвалы. В зависимости от их размеров естественное зарастание начинается через 15 - 30 лет после окончания эксплуатации. Такие отвалы разделяют на две подгруппы: а) отвалы угольных (неантрацитовых) шахт, в этих отвалах содержится много летучих частичек, горение их слабое, но продолжительное, до 30 лет; б) отвалы антрацитовых шахт. Они состоят из сильно метаморфизированных сланцев, которые при разработке измельчаются незначительно. Возгорание пород происходит не быстро, но они горят весьма интенсивно с более высокими температурами. Продукты горения легко вымываются. Естественное зарастание таких отвалов задерживается из-за отсутствия мелкой фракции породы. Выветривание протекает очень медленно.

3. Отвалы обогатительных фабрик. Особенность таких отвалов состоит в том, что при дроблении угля и породы дробится до размеров, не превышающих 150 мм, с преобладающим количеством измельченного материала. Порода укладывается в отвал при влажности 40 %, и сегрегация частичек не происходит. Количество горючих частичек и пирита примерно на 30 % больше, чем в отвалах шахт. Кислотность таких отвалов высокая. Зарастание породных отвалов этой группы начинается через 30-50 лет после эксплуатации [11] .

2. Методика работы

Основные исследования проводились в весенне-осенний период (с апреля по октябрь) 2016 г. на терриконах, расположенных на окраине (юго-западной) микрорайона Куровской города Калуги. (Приложение1)

Изучение растительности, произрастающей на терриконах, проводилось маршрутным методом с использованием фотосъемки и сбора гербарного материала.

Обилие видов (в геоботанике) — группа показателей, характеризующих роль вида в фитоценозе. Для определения проективного покрытия и численности видов (обилия видов в узком смысле) применяется глазомерный учёт и используются различные шкалы обилия.[5]

Классической (хотя и устаревшей) является шестибальная шкала обилия Друде:

1. Socials - растения смыкаются своими надземными частями, образуя общий фон.

2. Copiosae – растения встречаются в большом количестве, но их надземные части не смыкаются.

3. Cop.3 - очень обильно, но фона не даёт.

4. Cop.2 - обильно, особей данного вида много.

5. Cop.1 - обильно.

6. Sparsae (Sp.) - растения встречаются изредка, рассеяно, в небольшом количестве.

7. Solitariae (Sol.) - растения встречаются редко, единично.

8. Unicum (Un.) - вид представлен единственным экземпляром на пробной площадке.

Изучение животного мира, беспозвоночных, проводилось при помощи ловушек Барбера без навесов. Для этой цели было выделено 4 пробных площади на самих терриконах и 2 пробные площади на прилегающих к терриконам территориях. На каждой площади закладывалось не менее 10 ловушек. В качестве ловушек использовали пластиковые стаканчики емкостью 200 мл с диаметром отверстия 70 мм. В качестве раствора брали воду с добавлением моющего средства, в этом случае материал из ловушек собирали каждые 2-3 дня, либо 4% раствор формальдегида, в этом случае материал собирали раз в неделю.

Породы с терриконов (отличающиеся по цвету и агрегатному состоянию) были разложены в пробирки и залиты дистиллированной водой, для определения рН при помощи лакмусовой бумаги.

Выполнение исследований велось в следующем порядке:

1. сбор коллекции пород, встречающихся на терриконах, для дальнейшего их изучения и определения рН растворов пород в Н₂О; (Приложение II)

2. определение видового состава растений, произрастающих на терриконах и вблизи них; (Приложение III – Карта-схема)

3. закладка пробных площадей для определения состава беспозвоночных на данной территории;

4. сбор данных на заложенных площадях;

5. обработка материала.

III. Результаты и обсуждения

3. 1. Химические и физические свойства пород терриконов

Нам, к сожалению, не удалось выяснить, какими именно породами представлены терриконы, но зато нам удалось собрать коллекцию этих пород, которые очень сильно различаются не только по цвету, но агрегатному состоянию.

Результаты оказались следующими: рН колеблется в пределах от 3 до 6, а это в свою очередь указывает на кислуюили слабо-кислую реакцию среды.

Интересен и тот факт, что в состав терриконов входят породы различных цветов от белого, желтого, терракотового и до различных оттенков черного. Следует отметить, что породы залегают пластами: черные сменяются белыми и светло-желтыми с вкраплениями терракотового и затем вновь оттенки черного. Кроме отличия в цвете, они отличаются структурой и гигроскопичностью. Все породы с оттенками от белого до терракотового хорошо впитывают и удерживают влагу, а по механическому составу породы напоминают мелкий песок с размерами механических элементов от 0,25—0,05 мм.

Породы черного цвета по механическому составу напоминают гравий с размером механических элементов больше 3 мм, имеют плитовидную структуру (отдельности развиты преимущественно по двум горизонтальным осям и укорочены в вертикальном направлении) и относятся к группе макро­структур с размером частиц от 10 до 0,25 мм. Воду данная порода не впитывает: она стекает по ней ручьями, образуя промоины.

Рис.1 Общий вид терриконов сверху (восточная сторона)

3.2.Видовой состав растений, произрастающих на терриконах и вблизи него.

Исходя из выявленных физических особенностей породы, наши отвалы по скорости естественного зарастания должны быть отнесены к первой группе по классификации: отвалы, образованные из неметаморфизированных и слабо метаморфизированных осадочных пород, содержащих в незначительном количестве уголь. Такие отвалы образуются из пород горных выработок, проводимых на небольших глубинах, в нашем случае min глубина составляла не более 1,5 м. [11] Горение происходило небольшими очагами и в течение короткого промежутка времени. По литературным данным их естественное зарастание должно происходить в первые 10 лет после окончания эксплуатации, по нашим данным зарастание терриконов в микрорайоне Куровской началось чуть позже, спустя 15 лет.

Наибольшее видовое разнообразие растений наблюдается с восточной стороны. Обнаружить растения можно не только у подножия терриконов, но и на высоте до 4 метров.

У основания терриконов с восточной стороны также наблюдается большое разнообразие видов травянистых растений (см. табл.1), древесная растительность представлена тремя видами: береза бородавчатая, тополь дрожащий и ива козья (Рис. 2). Необходимо отметить, что именно к этой части терриконов примыкают дачные участки жителей микрорайона Куровской. Так как на данной территории нет мусорных контейнеров, то дачники с близлежащих участков выбрасывают отходы прямиком в рощу: бытовые отходы, ненужные вещи, мертвые растения и многое другое – было встречено нами во время закладки проб и, зачастую, доставляло неудобства.

Рис. 2 Травянистый покров у основания восточного склона терриконов

Таблица 1

Сводная таблица по растительному покрову терриконов

Примечание: розовым цветом указаны растения, которые являются индикаторами кислой или слабо-кислой реакции почвы.[6]

Анализируя данные таблицы, приходим к выводу, что на изучаемой территории преобладают растения семейства Вьюнковые, хотя и представлено оно всего одним видом, семейства Злаковые, представленные 4 видами (Cop.2) и семейства Бобовые (5 видов - Cop.1). Наибольшим видовым разнообразием отличается семейство Сложноцветные (12 видов).

Отличительным является видовой состав растений с западной стороны. Здесь, на высоте до 6-7 метров, произрастает берёза пушистая с диаметром ствола около 45 см. Березки приземистые, высотой не более 4 метров. У основания терриконов с западной стороны на расстоянии 2-3 метров располагается молодая березовая рощица. Травянистая растительность представлена двумя видами, причем на самих терриконах можно обнаружить слабые растеньица вьюнка полевого, в то время как у подножия встречаются мать-и-мачеха и пырей ползучий.

На юго-западе, между двух отвалов, также наблюдаются посадки из березы (вид - береза повислая), на наш взгляд, она произведена людьми не менее 10 – 15 лет назад. Поскольку грунт имеет низкую влагоудерживающую способность, то для того чтобы корни не пересыхали, у основания стволов навален битый шифер. В основании террикона с этой стороны также произрастает молодой лесок, состоящий из берёзы повислой, берёзы пушистой, ивы козьей и тополя дрожащего. А травянистые растения представлены всего одним видом – вьюнком полевым.

Рис. 3 Посадки березы повислой

С северной стороны терриконов произрастает в основном травянистая растительность (вьюнок полевой, мать-и-мачеха, пырей полевой), так как это территория бывших шахт. Теперь там располагался асфальтобетонный завод, который в настоящее время не работает, но территория охраняется и очищается от древесной растительности.

Таким образом, приходим к выводам:

1) Зарастание терриконов происходит неравномерно. Преимущества имеют растения корневищные.

2) Растения, предпочитающие произрастать на слабо-кислой почве, составляют 41,4% .

3.3. Определение состава беспозвоночных на терриконах и прилегающих к нему территориях

Способность членистоногих выживать в самых неблагоприятных условиях, проникать в новые адаптивные зоны и приспосабливаться к постоянно меняющимся факторам среды общеизвестна. Благодаря высокому экологическому и видовому разнообразию, тесной связи с почвой, низкой миграционной активности, высокой чувствительности и достаточно быстрой реакции на изменение средовых параметров почвенные беспозвоночные оказываются весьма информативными индикаторами, характеризующими изменения окружающей среды в образованных человеком, в том числе урбанизированных, ландшафтах, поэтому исследования структуры и динамики их сообществ являются одной из актуальнейших проблем современной экологии [2].

В ходе работы на терриконах мы столкнулись с рядом трудностей: 1) из-за большого количества посещений вершин терриконов любителями острых ощущений наши ловушки то и дело выкидывали. Не помогали и предупреждающие надписи о том, что идёт эксперимент, и просьба не трогать ловушки; 2) очень крутые склоны; 3) высокая оползневая активность: из-за большого количества ливневых дождей: наши пробы то и дело приходилось откапывать.

Необходимо отметить, что первые пробы были заложены нами 9 апреля и сняты 15 октября. Температурный порог был равен +8^оС. Он был выбран нами потому, что в условиях этих температур было комфортно работать.

Итак, для выяснения состава беспозвоночных нами были заложены пробные площади и в качестве контроля выступали участки, прилегающие к терриконам, на которых уже имелась древесная и травянистая растительность.

В окрестностях терриконов отмечены представители пяти отрядов насекомых, а также пауки. Среди беспозвоночных по численному обилию преобладали жуки, на втором месте находились перепончатокрылые, большая часть которых представлена муравьями (табл. 3)

В основании терриконов встречаются представители тех же таксонов беспозвоночных, только незначительно снижена доля жуков, повышена доля перепончатокрылых и пауков, у последнего отряда повышена также численность в сравнении с контролем.

В середине террикона были представлены те же таксоны, однако их соотношение изменено: на первое место выходят перепончатокрылые, а жуки уступают по обилию паукам, занимая лишь третье место. Численность всех групп, кроме двукрылых, заметно снижена по сравнению с основанием терриконов.

Табл.3

Состав беспозвоночных на пробных площадях

Серым цветом отмечены отряды, входящие в класс Насекомых.

На вершине террикона найдены представители четырех отрядов (рис.4). Как и в предыдущей зоне, преобладают перепончатокрылые, на втором месте находятся пауки. Ос и других аэробионтов в ловушки на наш взгляд привлекала вода, так они были без навесов. Численность всех групп заметно снижена по сравнению с ниже расположенными зонами.

Рис. 4 Распределение беспозвоночных по крупным отрядам на вершине террикона, в процентах.

Контрольные участки (рис. 5) отличаются от террикона следующими благоприятными для беспозвоночных особенностями: 1) наличие растительности (травянистые растения), следовательно, наличие источников пищи и укрытие; 2) нет сильного перегревания и охлаждения почвы; 3) наличие затенённых участков.

На наш взгляд, большее количество беспозвоночных в средней части терриконов (рис. 6) по сравнению с вершиной связано преимущественно с особенностями грунта, состоящего из светлых и рыхлых пород, который меньше нагревается, хорошо впитывает и удерживает влагу.

Рис. 5. Распределение беспозвоночных по крупным отрядам на контрольных площадях, в процентах.

Рис. 6. Распределение беспозвоночных на пробных площадях в средней части терриконов по отрядам, в процентах.

Рис. 7. Распределение беспозвоночных на пробных площадях в основании терриконов по отрядам, в процентах.

Наряду с различиями по вертикали, состав и численность беспозвоночных различается по горизонтали, по сторонам света (табл. 4). Наибольшее обилие беспозвоночных наблюдается на пробных площадях, расположенных с восточной стороны, а это напрямую связано с развитием растительного покрова на этой площади, необходимой беспозвоночным как для питания, так и для укрытия. Наименьшее число беспозвоночных наблюдается с юго-западной стороны. Растительный покров представлен разреженными и угнетенными куртинками, состоящими из вьюнка полевого.

Табл.4

Состав беспозвоночных на пробных площадях, заложенных в основании терриконов

Состав беспозвоночных меняется в сторону уменьшения в летний период времени.

Для лета 2016 года было характерно следующее:

1) Июль – грозы либо кратковременные дожди наблюдались нами в течение 14 дней из 31, что также затрудняло снятие и постановку проб. Кроме того, необходимо отметить, что этот месяц был достаточно теплым, t в 6 часов утра временами достигала 20⁰С, днём средняя t воздуха была 25⁰С. Вторая половина месяца была более жаркой, и средняя t воздуха достигала 30⁰С, в результате чего испарение фиксирующего состава из ловушек происходило очень быстро, учитывая и тот фактор, что чем выше, тем поток воздушных масс сильнее.

2) Август был в меру теплым, влажным, поэтому данные этого месяца можно считать достоверными. В таблицу (табл.5) включены данные за три летних месяца.

Табл.5

Состав беспозвоночных на пробных площадях, заложенных в середине терриконов, по сезонам

Необходимо отметить, что пробные площади на вершине терриконов (табл.6) из-за большого количества посещений приходилось периодически менять, так как часто при снятии проб мы недосчитывались стаканчиков. Также следует отметить, что на вершинах терриконов практически всегда есть ветер, а основная порода представлена спекшимися частицами, которые образовались в результате самовозгорания терриконов, и всё это так или иначе сказалось на полученных нами результатах.

Табл.6

Состав беспозвоночных на пробных площадях, заложенных на вершине терриконов

Проводя анализ полученных данных, выяснили, что на вершине терриконов можно встретить отряды: перепончатокрылых (ос и муравьев), двукрылых (слепни и мухи), чешуекрылых и пауков. Наибольшее количество муравьёв (отряд перепончатокрылые) попадало в ловушки весной и осенью, а в летний период их количество сократилось примерно в 2 раза. На наш взгляд, это связано с повышением температуры грунта.

4. Заключение

В своем исследовании мы смогли подтвердить существование жизни на терриконах, и она представлена неприхотливыми видами.

• Выводы:

1) Породы терриконов имеют преимущественно слабо-кислую реакцию среды.

2) Зарастание терриконов идёт неравномерно по вертикали и по сторонам света. Наиболее распространёнными являются корневищные растения, представленные такими видами, как вьюнок полевой, пырей ползучий и мать-и-мачеха.

3) От подножия к вершине терриконов обилие беспозвоночных снижается в 1,3-5,3 раза для разных таксонов беспозвоночных. С увеличением высоты в выборках резко снижается доля жесткокрылых и возрастает доля перепончатокрылых и пауков. Вершину террикона посещают только перепончатокрылые, двукрылые, чешуекрылые и пауки.

4) Наибольшее обилие беспозвоночных наблюдается на пробных площадях, расположенных с восточной стороны, что связано с развитием растительного покрова, необходимого беспозвоночным как для питания, так и для укрытия.

Для детального изучение терриконов необходим не один год, поэтому эту работу будем продолжать и в качестве исследовательских работ на следующий год предлагаем следующие темы: «Муравьи как основные завоеватели новых территорий», «Изучение видового разнообразия жужелиц», «Изучение видового разнообразия пауков». Кроме того, планируем выставить аншлаги на терриконах с правилами безопасности. Провести очистку прилегающей территории от мусорных завалов при помощи дачников и обучающихся ДХТД «Гармония» г. Калуги.

Выражаем благодарность и признательность за помощь в постановке экспериментов и определение беспозвоночных Алексанову В.В., зав. отделом ГБУ ДО КО «Областной эколого-биологический центр ".

Литература:

1. Ашихмина Т.Я. Биоиндикация и биотестирование — методы познания экологического состояния окружающей сре­ды. — Киров: Наук. думка, 2005. — 246 с.

2. Вершинина С.Д. Структура почвенной мезофауны в градиенте урбанизации // Вестник Удмуртского Университета, 2011. Вып.2. 246 с.

3. Всё о цветах лесов, полей и рек. Атлас-определитель. – СПб: ООО «СЗКЭО», 208. – 224 с., ил.

4. Гиляров М.С. К материалам по фауне наземных беспозвоночных техногенных ландшафтов почвенно-зоологических исследований. — М.: Наука, 1975. — 280 с.

5. Каплан Б.М. Научно-методические основы учебного исследования флоры: Методическое пособие. Часть 1. Теория, проблемы и методы флористики.-М.: Компания Спутник+, 2008.-164 с.

6. Моторина Л. В., Чехлина В. Н., Ижевская Т. Н. О некоторых экологических аспектах развития растений на промышленных отвалах в Подмосковном буроугольном бассейне //Экология. – 1971. – №. 5. – С. 20-24.

7. Титов В. Всем смертям назло. - М.: Просвещение, - 1987.

8. Экологическая жизнедеятельность насекомых http://biofile.ru/bio/16964.html

http://terrikon.donbass.name/ter_s/566-rol-terrikonov-v-ekologii.html

10. Террикон — Википедия https://ru.wikipedia.org/wiki/Террикон

11. Соколов Э. М., Качурин Н. М., Мелехова Н. И. Рекультивация отвалов отработанных шахт подмосковного бассейна. // Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. Выпуск № 1 / 2010 http://cyberleninka.ru/article/n/rekultivatsiya-otvalov-otrabotannyh-shaht-podmoskovnogo-basseyna

12. Экология насекомых http://www.ecologybook.ru/ekologiya-nasekomich-stranitsa-38

Приложение I

Расположение шахт

Приложение II

Карта-схема

Пробные площади, заложенные на вершине

Пробные площади, заложенные в основании террикона

Пробные площади, заложенные в средней части терриконов

Контрольные участки, заложенные на территориях, прилегающих к терриконам