Russian Federation
The aim of the study is to restore the soil and vegetation cover of technogenically disturbed areas of tundra soils in the Yenisei North. Research objectives: selection of methods of mechanical processing of tundra soils; doses of mineral fertilizers; species of recultivating plants most adapted for the Subarctic zone. The object of research is technogenically disturbed areas of tundra lands that have become unusable during the development of minerals. Research was carried out in accordance with the Program and methodology for studying technogenic biogeocenoses, the Program and methodology for conducting scientific research on meadow farming. The study carried out over 2016–2020 identified the following reasons for the disturbance of the soil surface: in the gas production industry – improper operation of equipment, accidents on gas pipelines and stationary storages, industrial effluents in the areas of primary gas processing; in the mining industry – operation of tailing dumps, emissions of toxic gases, industrial dust, industrial effluents from smelting shops. According to the degree of disturbance, the following areas were identified: with complete disturbance – 5 %; with a strong disturbance – 10; weak disturbance – 70; undisturbed landscapes – 13 %. To restore and improve the fertility of lands, it is recommended: application of a fertile layer (soil mixture) – h = 25–30 cm + mineral fertilizers in a dose of N60P60K60; combined tillage - 2-fold disking of the BDT-3.0 to a depth of 15–18 cm, milling of the soil with FBN 1.2 to a depth of 12–15 cm; sowing grassland grass: red fescue + meadow bluegrass (70 : 30) with a SZU 3.6 seeder or manually. Within 3–5 years, meadow formations are created with a sod-protective layer of 8–10 cm, which prevents the initiation of erosion, increases soil fertility due to the decomposition of organic matter. The soil structure, porosity, and humus content of the horizon are improving. The technology increases the productivity of artificial phytocenoses by 2–3 times in comparison with natural meadows.
mechanical processing, mineral fertilizers, biological reclamation, soil mixture, soil and vegetation cover, fractional composition, density.
Введение. Главной причиной нарушенности почв на Енисейском Севере является деятельность промышленных предприятий. При строительстве и эксплуатации нефтегазовых продуктопроводов, участков первичной переработки газа, скважин, использовании гусеничного транспорта частично или полностью уничтожается почвенно-растительный покров тундры. На полуострове Таймыр и в северо-восточной Якутии однократный проход гусеничного вездехода со средним давлением на грунт – 23 кПа вызывает разрывы мохово-лишайниковой дернины. Один трактор со средним давлением на грунт
47 кПа выводит из строя
10-кратного проезда по одной колее погибают даже самые устойчивые группировки растений. В настоящее время площадь поврежденного покрова тундры составляет 15 % [1]. Другая причина нарушенности земель – выбросы токсичных газов промышленных предприятий при переработке рудного сырья, сливы и стоки отходов производства, техногенные аварии на производственных участках с повышением содержания тяжелых металлов в почве до нескольких ПДК. Даже при незначительном нахождении в воздухе выделяющийся при выбросах отходящих газов диоксид серы в результате химических реакций в атмосфере превращается в серную кислоту, которая выжигает в районах выпадения значительную часть функциональных органов вегетирующей растительности [2].
Актуальность темы заключается в ускоренном восстановлении техногенно нарушенных земель Енисейского Севера и предотвращения водной эрозии. Установлено, что наиболее эффективными для использования в качестве плодородного слоя на ограниченных участках нарушенных земель с полностью уничтоженным почвенно-растительным покровом наиболее перспективным биогрунтом является грунтосмесь почва+торф. Для восстановления почвенно-растительного покрова тундр, нарушенного в процессе освоения полезных ископаемых, проводится биологическая рекультивация – система агротехнических мероприятий по возврату продуктивных функций верхнему нарушенному горизонту деятельного слоя почвы. Для этого используется ранее снятый плодородный слой, а если он уничтожен безвозвратно, используется плодородный слой с других мест изъятия или применяется вышеуказанная грунтосмесь, создаваемая из местных биоматериалов.
Материалы и методы исследования. Исследование проводилось в соответствии с Программой и методикой изучения техногенных биогеоценозов (1978) [3], Программой и методикой проведения научных исследований по луговодству (2000) [4]. Для оценки состояния нарушенных земель, определения причин деградированности и степени нарушенности были использованы методические рекомендации «Биологическая рекультивация земель по трассе газопровода Мессояха – Норильск» [5], учебное пособие «Мониторинг техногенного загрязнения земель российского Севера» [6], методические рекомендации «Биологическая рекультивация нарушенных тундровых земель на полуострове Таймыр» [7], «Методы и технологические схемы использования многолетних злаковых трав при биологической рекультивации нарушенных земель в тундровой и лесотундровой зонах Таймыра» [8], методические рекомендации «Усовершенствованная технология биологической рекультивации нарушенных земель с дальнейшим использованием в сельскохозяйственном производстве» [9], «Способ повышения продуктивности агрофитоценозов с использованием пробиотиков и комплексных минеральных удобрений в условиях Крайнего Севера» [10], Инструкция по рекультивации земель, нарушенных и загрязненных при аварийном и капитальном ремонте магистральных нефтепроводов. РД 39-00147105-006-97 [11], методические рекомендации «Рекультивация земель на трассах линейных сооружений Таймыра» [12] .
При проведении исследования учитывали следующие научно-производственные основы восстановления плодородия почв:
– Потенциальное плодородие почвы, основанное на результатах химического анализа почв по кислотности и содержанию основных элементов питания: азот, калий, фосфор.
– Сроки проведения работ. Оптимальное время проведения культуртехнических работ – май-сентябрь, весенне-летне-осенний период. Для обработки почвы желательно использовать гусеничные тракторы. Это связано с состоянием почвы весной в мае, когда идет усиленный процесс таяния снега, и в августе-сентябре, когда начинается сезон дождей. Колесные тракторы в таких случаях часто вязнут, теряется траектория направления агрегатов, и качество обработки почв снижается.
– Погодные условия. Работы необходимо проводить в безветренную, сухую погоду для равномерного покрытия поверхности почвы плодородным слоем, минеральными удобрениями и посевным материалом. Суровые климатические условия обуславливают учет следующих факторов: короткое прохладное лето, наличие вечной мерзлоты, полярный день.
– Рельеф местности: учет крутизны и экспозиции склонов, выступов, впадин. В зависимости от крутизны и экспозиции склонов проводится корректировка по террасированию, дозам внесения удобрений, нормам высева семян. Чем круче склон, тем уже террасы. Рекомендуется дробное внесение удобрений, и на каждые 5о крутизны – повышение нормы высева на
Для изготовления грунтосмесей использованы различные соотношения почвы с местными материалами: торф, опилки, шлам, песок. Компоненты заготовлены при изъятии грунтов из районов строительства, закладки магистральных трубопроводов и т. д. Работа экспериментальная.
Результаты исследования и их обсуждение. В результате многолетних испытаний на опытном участке различных вариантов грунтосмесей, выступающих в качестве потенциальных заменителей нарушенного при освоении полезных ископаемых плодородного слоя почв тундры, сотрудниками НИИСХ и ЭА ФКНЦ СО РАН были выбраны грунтосмеси с оптимальными агрофизическими показателями: торф-опилки-почва; почва-торф; торф-шлам-почва (табл.). По структуре грунтосмесей можно отметить бóльшую по сравнению с местными типами почв рассыпчатость, пористость, скважность, влагоемкость. Механический состав на вариантах торф; торф+почва+песок; почва+песок; почва+торф в верхнем горизонте однороден от 60 до 75 % по содержанию глины (<
16 857 шт/м2, в то время как на остальных вариантах плотность была достоверно ниже –
11 028–12 488 шт/м2. Максимальная урожайность 22 ц/га на опытном участке была отмечена на варианте торф+почва, что говорит о наличии в составе вышеуказанных грунтосмесей – опилок и шлама, химических соединений и смол, замедляющих рост и развитие трав. Таким образом, для использования в качестве плодородного слоя на ограниченных участках нарушенных земель с полностью уничтоженным почвенно-растительным покровом наиболее перспективным плодородным биогрунтом является почва+торф (50 : 50). В использованном как компонент грунтосмеси верховом торфе преобладают фрагменты сфагнума с примесью частиц травянистых растений. Ячейки микроструктуры торфа в ходе гумификации растительных остатков заполняются частицами агрегативной природы, образовавшимися на основе гуминовых веществ и углеводного комплекса торфа [13]. Для заготовки торфа необходимо согласование мероприятий с вышестоящими инстанциями. Приготовленная грунтосмесь обладает достаточным плодородием, но при необходимости возможно внесение минеральных удобрений (азофоска в дозе N60P60K60) с последующей ежегодной подкормкой в дозе N30P30K30. Применение полной дозы удобрений N60P60K60 плодотворно влияет на развитие многолетних злаков. В примеси со среднесуглинистыми почвами удобрения использовались лучше (медленная адсорбция влаги), чем на супесчаных и песчаных почвах.
Свойства грунтосмесей для техногенно нарушенных земель (г. Норильск, 2020 г.)
|
Вариант опыта |
Механический состав |
Плотность |
Пористость |
|||||
|
Физическая глина (∑ частиц ˂ 0,01 мм), % |
Фракции |
Вид |
г/см3 |
Показатель |
Размер |
Общая по Качинскому, % |
||
|
1. Природный фон |
40–50 |
Средний суглинок |
Плотная |
1,3–1,4 |
Тонко-пористая |
|
50 |
|
|
2. Опилки+песок+шлам |
0–5 |
Песок с примесью |
Рассыпчатая |
1,0–1,1 |
Пористая |
1–3 мм |
50–55 |
|
|
– |
Торф |
Рыхлая |
1,0 |
Губчатая |
3–5 мм |
50–55 |
|
|
4. Торф+песок+почва |
10–20 |
Супесь торфяная |
Рыхлая |
1,0–1,1 |
Пористая |
1–3 мм |
50–55 |
|
|
5. Почва+песок |
20–30 |
Легкий суглинок |
Рыхлая |
1,0–1,1 |
Пористая |
1–3 мм |
50–55 |
|
|
6. Торф+опилки+почва |
20–30 |
Легкий суглинок с примесью |
Рыхлая |
1,0 |
Пористая |
1–3 мм |
55–65 |
|
|
7. Почва |
40–50 |
Средний суглинок |
Плотная |
1,3–1,4 |
Тонко-пористая |
|
50 |
|
|
8. Почва+торф |
20–30 |
Легкий суглинок |
Рыхлая |
1,0–1,1 |
Губчатая |
3–5 мм |
50–55 |
|
|
9. Торф+шлам+почва |
20–30 |
Легкий суглинок оторфованный с примесью |
Рыхлая |
1,0–1,1 |
Пористая |
1–3 мм |
55–65 |
|
Процесс формирования плодородного слоя верхнего горизонта почв в Субарктической зоне Енисейского Севера с помощью грунтосмесей требует последующего поддержания заданных параметров на должном уровне в течение 3 лет. Необходима ежегодная весенняя подкормка грунтосмеси удобрениями в дозе N30P30K30. Чем выше урожайность сеяных рекультивантов, тем больше органических остатков поступает в почву, тем выше плодородие почвы. В качестве сидерального удобрения можно использовать надземную массу растений-рекультивантов, оставляя их на корню после вегетации или после скашивания. Существенную роль в обогащении почвы органическими элементами, улучшении ее структуры (водопроницаемость, порозность, механический состав) играет корневая система сеяных растений. В течение 3–5 лет корневищные и рыхлокустовые виды сеяных трав формируют дерновозащитный слой в 8–10 см, который препятствует зарождению водной эрозии, повышает плодородие почвы благодаря разложению органических веществ.
Формирование почвенно-растительного покрова нарушенных участков тундровых земель состоит из 2 этапов: этап формирования почвенного покрова и этап формирования растительного покрова.
Этап формирования почвенного покрова
Подразумевает два срока подготовки – осенний и весенний:
осень
1) планировка неровностей на поверхности нарушенного участка (производится выравнивание неровностей автогрейдерами и гусеничными бульдозерами «Четра» или Caterpillar);
2) нанесение плодородного слоя высотой 25–30 см. Производится выравнивание автогрейдерами, гусеничными бульдозерами «Четра» или Caterpillar, для усадки грунта необходимо время до весны;
весна
3) поверхностная механическая обработка почвы: дискование, фрезерование, прикатывание, боронование.
Для измельчения и частичной заделки грунтосмеси в нарушенный пласт проводится 2-кратное дискование почвы тяжелыми дисковыми боронами БДТ-3,0 или навесными дисковыми боронами БДН-2,1. Глубина обработки почвы 15–18 см. Сроки проведения агроприема I–II декады июня, после схода талых вод и подсыхания верхнего слоя почвы. Схемы проведения агроприема подразумевают несколько вариантов дискования почвы: 2-кратное продольное,
2-кратное поперечное, 2-кратное диагональное.
После дискования проводится 2-кратное фрезерование почвы фрезой ФБН-1,2 на глубину 12–15 см. Происходит более тщательное измельчение верхнего горизонта почвы. После посева сеялкой СЗУ-3,6 или вручную производится прикатывание почвы водоналивными
3 КВГ-1,4 или кольчато-шпоровыми катками
3 ККШ-6А для лучшего контакта семян с почвой. Ежегодно весной проводится боронование сцепками из тяжелых игольчатых борон «Зигзаг» для провокации отрастания растений и закрытия влаги.
Этап формирования растительного
покрова
1. Предпосевная обработка семян
Перед посевом семена трав обрабатываются раствором «ЭМ-1 Байкал» – это препарат из живых микроорганизмов, стимулятор роста микробного, животного, растительного происхождения, оказывающий благотворное влияние на нормофлору растущего организма. Принцип обработки:
2. Посев многолетних злаковых трав
Посев трав проводят сеялкой СЗУ-3,6 или вручную. Сеялка агрегатируется с тракторами класса 0,6-1,4 кНт (Т-25, Т-40М, МТЗ-80, МТЗ-82, ЮМЗ-6АЛ). Посевной материал: мятлик луговой (Poa pratensis), овсяница красная (Festuca rubra) – наиболее универсальные виды трав для формирования растительного покрова земель с использованием комплексного удобрения азофоска в дозе N60P60K60. Их универсальность проявляется в быстрой адаптации к суровым условиям произрастания, зимостойкости, способности активной вегетации до первых заморозков (III декада сентября – начало октября). Как покровные культуры могут использоваться кострец безостый, пырейник сибирский, горох посевной. Норма высева – 100 кг/га. Крутые склоновые участки и места с неровным рельефом, где доступ техники затруднен, посев производится вручную.
3. Послепосевная обработка почвы предполагает:
– обязательное прикатывание посевов водоналивными или кольчато-шпоровыми катками для большего контакта семян с почвой;
– весеннее боронование всходов игольчатыми боронами;
– уход за посевами;
– после уборки надземной массы для облегчения плужной обработки почвы необходимо провести 1- или 2-кратное дискование почвы тяжелыми дисковыми боронами.
Начиная со второго года жизни растений, доля сеяных трав увеличивается путем подсева семян и внесения удобрений (подкормка).
В центральных регионах России страховой фонд создают из расчета 10 % от нормы высева семян. В условиях Крайнего Севера страховой фонд следует увеличивать до 30 %, учитывая суровые условия произрастания и период акклиматизации. Часть семян сдувается ветром, выпревает из-за застоявшейся воды на мерзлой почве, часть не выдерживает низких температур, присущих для условий Крайнего Севера, и вымерзает, а часть семян дает всходы только через год после посева. Характерной чертой районированных сортов злаковых трав является медленный рост и развитие в первые 1–2 года, в связи с адаптацией к суровым местам обитания. В первый год жизни сеяные травы укореняются всего на 10–12 см и фаза развития надземной части часто не переходит фазы кущения. Полноценное развитие у сеяных многолетних злаковых трав наблюдается только на третьем году жизни.
Близость многолетнемерзлых пород и медленное прогревание поверхности почв ведут к задержке отрастания, укоренения и развития многолетних трав. Температура почвы в зоне корней в период активной вегетации ниже температуры воздуха на 2–5 ºС и в самые теплые месяцы севернее 60-й параллели не поднимается выше +12–14 ºС [14].
Заключение. Восстановление плодородия техногенно нарушенных земель и деградированных пастбищ с нанесением плодородного слоя почвы решает локальные проблемы их ремедиации. Вместе с тем решаются задачи ликвидации эрозионных процессов, оврагообразования, смыва грунтов в водоемы. Цикл принципиально важных мероприятий: нанесение плодородного слоя в 25–30 см, механическая обработка почвы на 15–18 см, внесение удобрений – азофоски в дозе N60P60K60, посев трав, уход за участками в течение 3 лет восстанавливает продуктивность луговых ценозов, улучшает структуру почв. Плотность слитых суглинистых почв уменьшается от 1,42 до 1,3 г/см3. Продуктивность искусственно созданных луговых ценозов в 2–3 раза выше, чем на естественных угодьях.
Оптимальной грунтосмесью для нарушенных участков тундры признан вариант почва+торф. Уже в в первый год жизни (2016) здесь отмечена максимальная всхожесть (68,5 %). К концу исследований (2020 г.) на этом варианте сформировался травостой плотностью 16 857 шт/м2, в то время как на остальных вариантах плотность была достоверно ниже – 11 028–12 488 шт/м2. Максимальная урожайность 22 ц/га на опытном участке также отмечена на варианте торф+поч-ва. Таким образом, для использования в качестве плодородного слоя на ограниченных участках нарушенных земель с полностью уничтоженным почвенно-растительным покровом биогрунт почва+торф (50 : 50) является наиболее перспективным. На третий год после рекультивационных работ наблюдается полное восстановление зеленого покрова тундры.
1. Motorina L.V. Programma i metodika izucheniya tehnogennyh biogeocenozov. M.: Nauka, 1978.
2. Kutuzova A.A., Zotov A.A., Teberdiev D.M. i dr. Programma i metodika provedeniya nauchnyh issledovaniy po lugovodstvu. M.: Izd-vo MGAU im. V.P. Goryachkina, 2000.
3. Dobrecov R.Yu. Puti umen'sheniya ekologicheskoy opasnosti vzaimodeystviya gusenichnyh dvizhiteley transportnyh sredstv s gruntami // Ekologiya i promyshlennost' Rossii. 2008. № 5. S. 24–28.
4. Telyatnikov M.Yu., Vanaev E.V., Onuchin A.A. i dr. Harakteristika prirodnyh ekosistem i osnovnyh destabiliziruyuschih faktorov severa Central'noy Sibiri // Sibirskiy ekologicheskiy zhurnal. 2014. № 6. S. 803–806.
5. Polyakov A.A. Biologicheskaya rekul'tivaciya zemel' po trasse gazoprovoda Messoyaha: metod. rekomendacii / Sib. otd-nie NIISH Kraynego Severa. Novosibirsk, 1988.
6. Kulikov K.I. Monitoring tehnogennogo zagryazneniya zemel' Rossiyskogo Severa: ucheb. posobie. M.: Izd-vo RosNIIkadry APK, 2000.
7. Losik G.I., Zelenskiy V.M., Sariev A.H. Biologicheskaya rekul'tivaciya narushennyh tundrovyh zemel' na poluostrove Taymyr: metod. rekomendacii / Rossel'hozakademiya, Sib. region. otd-nie GNU NIISH Kraynego Severa. Novosibirsk, 2010.
8. Zelenskiy V.M., Sariev A.H., Slepova O.N. i dr. Metody i tehnologicheskie shemy ispol'zovaniya mnogoletnih zlakovyh trav pri biologicheskoy rekul'tivacii narushennyh zemel': metod. rekomendacii / Rossel'hozakademiya, Sib. region. otd-nie GNU NIISH Kraynego Severa. Noril'sk, 2012.
9. Sariev A.H., Gaysina L.F., Derbenev K.V. i dr. 2015. Usovershenstvovannaya tehnologiya biologicheskoy rekul'tivacii narushennyh zemel' s dal'neyshim ispol'zovaniem v sel'skohozyaystvennom proizvodstve: metod. rekomendacii / RAN, NII sel'skogo hozyaystva i ekologii Arktiki. Noril'sk, 2015.
10. Sariev A.H., Ochikolova N.Yu., Derbenev K.V. Sposob povysheniya produktivnosti agrofitocenozov s ispol'zovaniem probiotikov i kompleksnyh mineral'nyh udobreniy v usloviyah Kraynego Severa: metod. rekomendacii / NIISH i EA FKNC SO RAN. Noril'sk, 2016.
11. Instrukciya po rekul'tivacii zemel', narushennyh i zagryaznennyh pri avariynom i kapital'nom remonte magistral'nyh nefteprovodov. RD 39-00147105-006-97. M., 1997.
12. Chuprova I.L., Chuprov V.L. Rekul'tivaciya zemel' na trassah lineynyh sooruzheniy Taymyra: metod. rekomendacii / RASHN, Gos. komitet po zemel'noy reforme i zemel'nym resursam TAO, AO «Noril'skgazprom». Noril'sk, 1996.
13. Orlov A.S., Ponomareva T.I., Selyanina S.B. i dr. Struktura i sorbcionnye svoystva verhovogo torfa priarkticheskih territoriy // Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. 2017. № 1. S. 18–22.
14. Korovin A.I. Rol' temperatury v mineral'nom pitanii rasteniy. L.: Gidrometeoizdat, 1972.
