CC BY
57
фитоценозов как в непосредственной близости Будущие исследования, проведенные по этим же от строящегося объекта в пределах санитарно- методикам, позволят адекватно отслеживать воз-защитной зоны промплощадки ТНХК, так и можную техногенную динамику рассмотренных на фоновой территории, за пределами объекта. лесных экосистем.
Литература
1. Быков Б. А. Экологический словарь. Алма-Ата : Наука, 1988. 212 с.
2. Вальтер Г. Общая геоботаника. М. : Мир, 1982. 264 с.
3. Воронов А. Г. Геоботаника. М. : Высшая школа, 1973. 384 с.
4. Жученко Б. А. Адаптивный потенциал культурных растений. Кишинев : Штиница, 1988. 766 с.
5. Марков М. В. Общая геоботаника. М. : Высшая школа, 1962. 452 с.
6. Миркин Б. М., Розенберг Г. С., Наумова Л. Г. Словарь понятий и терминов современной фитоценологии. М. : Наука, 1989. 223 с.
7. Шенников А. П. Введение в геоботанику. Л. : Изд-во Ленингр. ун-та, 1964. 448 с.
8. Ярошенко П. Д. Геоботаника. М : Просвещение, 1969. 200 с.
ОСОБЕННОСТИ ГИДРОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НАРУШЕННЫХ ГРУНТОВ КРАЙНЕГО СЕВЕРА В СВЯЗИ С ИХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИЕЙ
А. С. МОТОРИН,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор,
А. В. ИГЛОВИКОВ,
преподаватель, Тюменская государственная сельскохозяйственная академия
e-mail: [email protected]
Положительная рецензия представлена В. В. Новохатиным, доктором технических наук, заведующим кафедрой картографии и геоинформационных систем Тюменского государственного университета.
Ключевые слова: температура, влажность, многолетние травы, нарушенные земли, наименьшая влаго-емкость, биологическая рекультивация.
Keywords: temperature, humidity, perennial grasses, and the disturbed land, the water-holding capacity, biological recultivation.
Промышленное освоение нефтегазовых земель Крайнего Севера, строительство здесь новых автомобильных и железных дорог увеличивает количество техногенно нарушенных земель.
В результате деятельности предприятий нефтяной и газовой промышленности происходит формирование территорий, представляющих собой безжизненные песчано-пустынные субстраты.
Особо остро вопрос увеличения площади нарушенных земель стоит на полуострове Ямал. Здесь насчитывается огромное количество карьеров, т. к. песок является основным материалом для сооружения площадок под буровые, строительства зданий, дорог, трубопроводов и других сооружений. В связи с расширением эксплуатации старых и освоением новых месторождений количество нарушенных нефтегазодобычей земель (песчаных карьеров с открытым типом добычи минерального грунта) официально составит на полуострове до 10 % его общей площади [2].
Известно, что природные системы Севера отличаются повышенной ранимостью и
хрупкостью, обусловленной нестабильностью многолетнемерзлых пород, резкими колебаниями параметров абиотических условий, сравнительной простотой структуры и относительно невысоким видовым разнообразием растительных сообществ. Техногенные нарушения поверхности территории многолетнемерзлых почв приводят к изменению гидротермических условий и впоследствии к усилению криогенных и других геологических процессов, изменяющих ландшафт в нежелательном направлении.
Объекта, условия и методика проведения исследований.
Экспериментальная работа выполнена в зоне тундры на дне карьера намывного грунта 3-годичной выработки Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения (далее БНГКМ) и в зоне лесотундры на дне песчаного карьера 15-летней выработки, расположенного в 15 км от г. Салехарда.
Климатические особенности Крайнего Севера обусловлены географическим положением. Среднегодовая температура в зоне лесотундры -5°С, в зоне тундры -7°С. Сумма эффективных температур в зоне лесотундры (выше +5°С)
80,0
60,0
40.0
20.0 0,0
И
И
Ш
и
9.08.2007 г. 3.08.2008г.
14.09.2008г. 11.08.2009г. 11.09.2009г. 13.08.2010г. 12.09.2010г.
Дата определения
□ Контроль(без удобрений) □ N90 P90 K90 И N150 P150 K150 И N210 P210 K210 |
Рисунок 1
Запасы общей влаги в 0,2 м слое грунтов при различных уровнях минерального питания, мм (Бованенково)
близка к полной влагоемкости (0,87-0,99 ПВ). Связано это с близким залеганием мерзлоты.
Мерзлота в условиях Крайнего Севера оказывает значительное влияние на режим влажности, является ее регулятором. В то время, когда осадков выпадает мало, она является барьером для передвижения влаги в низлежащие слои, и атмосферная вода в течение долгого времени держится на уровне корнеобитаемого слоя, обеспечивая растения влагой на минимальном уровне. А при большом количестве выпадения атмосферных осадков влажность корнеобитаемого слоя возрастает до верхнего предела оптимальных запасов, несмотря на легкий гранулометрический состав грунтов.
Кроме этого, влажность грунтов изменялась по мере увеличения уровня минерального питания. При этом минимальные различия по вариантам опыта с нормами минеральных удобрений были отмечены в период его закладки (1-1,4 мм). На следующий год в конце вегетации трав наблюдалось снижение содержания влаги в 0,3 м слое по сравнению с контролем: на фоне
^90Р90К90 0,9 мм. ^150.^150^150 ^ ^210Р210К210
соответственно 5,3 и 5,0 мм. Максимальное снижение запасов влаги в 0,3 м слое (8,0 мм) установлено при внесении самой большой нормы удобрений. На этих делянках сформировался более выровненный режим влажности, обусловленный водопотреблением многолетних трав. Под травами практически постоянно сохраняется высокая емкость поглощения осадков. Поэтому под ними не бывает долговременного переувлажнения во влажные периоды года.
Определение влажности грунтов на опыте по изучению норм высева рекультивационной травосмеси подтвердило ее зависимость от густоты стояния растений (рис. 2). Количественно эта зависимость выражается слабее, чем от уровня минерального питания. При всех нормах высева трав установлено закономерное повышение влажности грунтов сверху вниз, которая достигает максимума на границе талого и мерзлого слоев. В этой зоне влажность практически всегда не опускается ниже величины наименьшей вла-гоемкости. В отдельные периоды, особенно когда выпадают осадки ливневого характера, влажность достигает полной влагоемкости.
Медленное проведение работ по биологической рекультивации нарушенных земель, как отмечалось ранее, объясняется их неблагоприятными свойствами. К числу последних относится чрезмерно низкая водоудерживающая
составляет 1100-1200°С (90 дней), в зоне тундры— 700-900°С (до 70 дней). Осадков выпадает 220400 мм в год, из них 60 % — в весенне-летний период. С глубины 50-200 см почва подстилается вечной мерзлотой.
Для выполнения поставленных задач нами было заложено по 2 полевых опыта на каждом объекте. Опыты закладывались в 3-4-кратной повторности. Конкретные схемы опытов приведены при изложении результатов.
На опытах выращивали многокомпонентную травосмесь: овсяница красная Festuca rubra—40 %, кострец безостый Bromopsis inermis — 35 %, овсяница луговая Festuca pratensis — 10 %, тимофеевка луговая Phleum pratense — 5 %, пырей ползучий Elytrigia repens — 5 %, мятлик луговой Роа pratensis — 3 %, бекмания обыкновенная Beckmannia emciformis — 2 %.
Основные методы исследований — полевой и лабораторный. Влажность грунтов определяли в основные фазы развития многолетних трав термостатно-весовым методом. Образцы отбирались в трехкратном повторении через каждые 10 см до границы оттаивания грунта (БНГКМ) и до залегания грунтовых вод (г. Салехард), ГОСТ 28268-89. Температуру грунтов определяли термометрами Савинова по глубинам 5, 10, 15, 20 см в 14.00 местного декретного времени на опыте с различными нормами высева многолетних трав, ГОСТ 25358-82.
Результаты исследований.
Режим влажности нарушенных грунтов. Наши исследования на БНГКМ подтвердили, что влажность нарушенных грунтов в значительной степени зависит от количества осадков в течение вегетационного периода (рис. 1). Например, в течение вегетационного периода 2008 г. выпало 123 мм осадков, а в 2010 г. — только 84 мм.
Запасы общей влаги на контрольных делянках в 0,3 м слое в конце вегетации многолетних трав при этом составили: 2008 г. — 115 мм, 2010 г. — 96,2 мм, т. е. меньше на 18,8 мм (16,3 %). Влажность грунтов под влиянием осадков существенно изменялась не только по годам, но и в течение вегетационного периода — от переувлажнения в ранне-весенний и осенний периоды, до дефицита влаги летом (0,39 НВ). Одной из важных причин неустойчивого режима влажности грунтов является низкая влагоемкость. Она обусловлена легким гранулометрическим составом изучаемых грунтов.
Общим для всех лет исследований является то, что влажность грунтов перед замерзанием была
80,0 -
70.0 -
60.0 -
50.0 -
40.0 -
30.0 -
20.0 -10,0 -
0,0
щ 1 I я
10.08.2007 г. 3.08.2008 г. 14.09.2008 г. 11.08.2009 г. 01.09.2009 г.
Дата определения
13.08.2010 г. 02.09.2010 г.
О Мн.тр. 40 кг/га
I Мн.тр. 120 кг/га
□ Мн.тр. 280 кг/га
Рисунок 2
Запасы общей влаги в 0,2 м слое грунтов в зависимости от норм высева многолетних трав, мм (Бованенково)
Рисунок 3
Запасы общей влаги в 0,3 м слое песчаных грунтов при использовании биоматов торфяных, мм (Салехард)
способность. Это обстоятельство заставляет изучать различные агромелиоративные приемы по повышению влагоемкости грунтов.
В условиях Крайнего Севера имеются огромные ресурсы торфа, который можно использовать для создания плодородного слоя. Известно, что торф обладает высокой водоудерживающей способностью. Его применение для биологической рекультивации сталкивается с организационными трудностями (заготовка только зимой экскаваторным способом, доставка и внесение). Все эти проблемы можно успешно решить, если готовить на промышленных предприятиях био-маты торфяные. При этом сразу после их укладки на объекте достигается укрепительный эффект, обеспечивается равномерность внесения органических удобрений.
Проведенные нами исследования позволили установить влияние биоматов торфяных (далее БМТ) на влажность песчаных грунтов. Так, перед укладкой матов влажность 0,3 м слоя песчаного грунта составляла 49,8 мм (0,7 НВ). Через полтора месяца после выпадения осадков на контрольном варианте влажность составила 81 % НВ. При использовании БМТ влажность возросла до 98 % от НВ, т. е. увеличилась на 17 % (рис. 3).
Важно подчеркнуть, что на делянках без укладки биоматов торфяных содержание влаги увеличивается сверху вниз. На варианте опыта с применением БМТ, напротив, максимальное ее содержание в корнеобитаемом слое наблюдается вверху (0-10 см). Из этого следует, что торф, содержащийся в матах, задерживает в себе влагу, создавая более благоприятные условия увлажнения для появления всходов многолетних трав, их роста и развития. Учеты густоты стояния многолетних трав в течение трех лет подтвердили этот вывод.
В основные фазы развития многолетних трав второго года жизни влажность грунтов на
контрольных делянках составляла около 0,7 НВ, при использовании БМТ — около 0,8 от НВ. Замечено, что в сухие периоды различия по влажности между вариантами сокращаются, но все равно остаются около 10 %.
В течение вегетационного периода 2010 г. выпало максимальное количество осадков — 340 мм. В этот период под многолетними травами третьего года жизни влажность в 0,3 м слое на контрольных делянках изменялась от 0,57 до 0,80 НВ. На варианте с БМТ она увеличивалась до 0,69-0,84 НВ.
Температурный режим нарушенных грунтов. Одним из наиболее важных условий, определяющих эффективное плодородие почвы, является температурный режим. Нет ни одного процесса, на который бы не оказывала влияние температура [3]. Поэтому изучение особенностей температурного режима нарушенных земель является важной научной проблемой.
Наблюдения за температурой намывного грунта в карьере проводились нами под многолетними травами, посеянными с нормами 40 и 280 кг/га. Исследованиями установлено, что в среднем за три года при норме высева 40 кг/га температура грунта на глубине 5 см составила 9,2°, 10 см — 8,8°, 15 см — 8,4° и 20 см — 7,9°С.
Практически во все сроки наблюдения в течение вегетационного периода температуры были ниже оптимальных для роста и развития трав. Максимальное значение температуры не превышало 11,5°С. При норме высева 280 кг/га за этот же период температура грунта была ниже на 0,2-0,4°С (рис. 4).
Постоянное близкое наличие мерзлоты к поверхности приводит к тому, что тесная связь между количеством солнечной радиации в вегетационный период и степенью прогреваемости грунта имеется лишь в самой верхней части профиля. Средние коэффициенты корреляции
Рисунок 4
Температура 0,2 м слоя грунта при различных нормах высева семян многолетних трав (Бованенково)
между температурой воздуха и грунта за трехлетний период при минимальной норме высева выглядят следующим образом: на глубине 5 см — г = 0,71, 10 см — г = 0,69, 15 см — г = 0,54, 20 см — г = 0,50. Аналогичная связь по профилю установлена и при максимальной норме высева. Количественно на глубине 5 и 10 см она несколько ниже, соответственно г = 0,67 и г = 0,63. На глубине 15 и 20 см на обоих вариантах опыта в среднем за три года коэффициенты корреляции не различались между собой.
Анализ полученных данных показывает, что в годы исследований среднесуточная температура воздуха существенно отличалась. Например, в 2008 г. ее среднее значение за период наблюдений составило 10,8°С, в 2009 г. — 11,3°С, в 2010 г. — только 7,6°С. В результате резких колебаний температуры воздуха значительно изменялась и температура почвы. На делянках с нормой высева трав 40 кг/га на глубине 5 см средняя температура грунта 2008 г. составила 9,8°, 10 см — 9,1°, 15 см — 8,6°, 20 см — 8,2°С. В 2009 г. при среднесуточной температуре воздуха 11,3°С на этом варианте температуры возросли по глубинам соответственно до 10,6°, 10,3°, 9,8° и 9,1°С. Самым холодным оказался вегетационный период 2010 г., когда среднесуточная температура воздуха составила всего 7,6°С. Это на 0,9° ниже многолетней нормы. В результате температура грунта снизилась до 7,2° шшш.т-ауи. пагоб. ги
на глубине 5 см, 7,1° — 10 см, 6,8° — 15 см и 6,5°С — 20 см. Следует подчеркнуть, что в 2010 г температура почвы во все сроки определения не превысила 10°С. В таких жестких условиях период от посева многолетних трав до появления всходов составлял 20-25 дней. В зиму они уходили, не закончив фазу кущения.
Известно, что температура почвы существенно зависит не только от температуры воздуха, но и от состояния ее поверхности. В нашем случае речь идет о влиянии густоты стояния многолетних трав на температурный режим намытых грунтов. Результаты наблюдений за температурой показывают, что ее значение зависит от нормы высева. Например, в среднем за три года исследований температура 0,2 м слоя грунта при норме высева 40 кг/га составила 8,6°С, 280 кг/га — 8,2°С. Важно отметить, что максимальные различия в прогревании грунта установлены на глубине 10-20 см. Так, если на глубине 0-10 см в среднем за три года исследований превышение температуры составило 0,3°, 10-20 см — уже 0,4°С. Максимальные различия, соответственно
0,4 и 0,5°С, установлены в 2009 г. при самых высоких температурах воздуха. При низких температурах воздуха различия по прогреванию грунтов в целом по профилю 0,2 м слоя сохраняются, но существенной дифференциации между верхней и нижней частью корнеобитаемого слоя уже нет. В 2010 г. различия между верхней и
Таблица 1
Густота стояния многолетних трав в зависимости от норм высева, шт/м2
Годы Норма высева, кг/га Увеличение, %
40 280
2008 920 1580 71.7
2009 1121 1609 43,5
2010 0 1 598 58.1
Среднее за 3 года 0 7 596 56.9
Таблица 2
Глубина оттаивания грунта в зависимости от нормы высева семян многолетних трав и температуры воздуха
(Бованенково)
Годы 40 кг/га 280 кг/га
Температура воздуха, °С Глубина оттаивания, см Температура воздуха, °С Глубина оттаивания, см
2008 8,9 54 8,9 53
2009 8,5 49 8,5 48
2010 6,3 47 6,3 44
нижней частью корнеобитаемого слоя (0,2 м) составили соответственно 0,4 и 0,5°С. Снижение температуры грунта на варианте с нормой высева 280 кг/га по сравнению с ее минимальной нормой (40 кг/га) обусловлено большим количеством числа стеблей многолетних трав (табл. 1). Увеличение густоты стояния многолетних трав приводит к сокращению потока тепла на поверхность грунта.
Растительный покров, затеняя поверхность почвы, в дневные часы уменьшает поток тепла, а ночью предохраняет от лучеиспускания. Загущенные посевы многолетних трав более активно высушивают почву путем усиленного поглощения влаги, уменьшают ее теплоемкость и расходуют тепло на создание растительных тканей. В результате отнимают тепло от почвы. Всё это приводит к тому, что почва, покрытая густой растительностью, имеет более низкие температуры, чем почва с изреженным почвенным покровом.
Многие исследователи отмечают, что огромное влияние на температурный режим в летний период оказывает запас холода, накопленный в почве после суровых зим [1, 4]. Глубоко промерзшие почвы Крайнего Севера медленно оттаивают.
Температурный режим подпахотных горизонтов в большей степени зависит от зимнего запаса холода. В этих условиях чрезвычайно рельефно проступает связь между температурным и водным режимами и биологическими процессами, происходящими в почве [7].
В результате трехлетних исследований нами установлено, что глубина оттаивания грунтов практически не зависела от нормы высева многолетних трав (табл. 2). Определяющую роль играла среднесуточная температура воздуха.
Этот вывод подтверждается коэффициентом корреляции между температурой воздуха в течение вегетационного периода и величиной оттаивания грунта, который составил г = 0,81 на делянках с нормой высева 40 кг/га и г = 0,90 — 280 кг/га.
Таким образом, нарушенные земли в карьерах Крайнего Севера имеют неудовлетворительные гидротермические условия. Для их биологической рекультивации требуется применение агромелиоративных приемов по их оптимизации с целью успешного возделывания рекультиваци-онной травосмеси.
Выводы.
1. При близком залегании мерзлоты к поверхности влажность грунтов под влиянием осадков изменяется в течение вегетационного периода от переувлажнения в ранне-весенний и осенний периоды до дефицита влаги летом (около 0,4 НВ в 0,3 м слое).
2. При отсутствии осадков многолетние травы частично обеспечиваются влагой, поступающей от таянья мерзлой толщи. Под многолетними травами в корнеобитаемом слое практически всегда сохраняется высокая емкость поглощения осадков (20-25 мм). Поэтому под ними не бывает длительного переувлажнения. Применение био-матов торфяных повышает содержание влаги в 0,2 м слое грунта на 10-17 %.
3. Грунты Крайнего Севера имеют неудовлетворительный температурный режим для произрастания многолетних трав. Температура в
0,2 м слое грунта под многолетними травами в течение вегетационного периода не превышает 7,9-9,2°С.
4. Глубоко промерзшие грунты медленно оттаивают, что сдерживает их прогревание. Величина оттаивания грунтов составляет 44-54 см и практически не зависит от норм высева многолетних трав.
Литература
1. Богушевский А. А. Основное направление сельскохозяйственных мелиораций применительно к северной части Тюменской области // Вопросы сельскохозяйственных мелиораций Тюменской области. Тюмень, 1968. С. 217-234.
2. Зенько И. А. Амортизационная политика на 2001 год // Информбанк. 2001. № 12. 13 с.
3. Люндегорд Г. Влияние климата и почвы на жизнь растений / пер. с нем. проф. В. И. Эдельштейна. М., 1937. 387 с.
4. Невечеря В. А. Сезонное промерзание почв и проблема мелиорации Барабы // Вопросы мелиорации Барабинской низменности. Новосибирск, 1970. С. 89-93.
5. Роде А. А. Основные учения о почвенной влаге. Л., 1969. 286 с.
6. Смирнов А. Н., Лысяк В. Л. Система социальной экологии. Н. Новгород, 2010. 168 с.
7. Скрынникова И. Н. Некоторые проблемы мелиорации и сельскохозяйственного использования торфяных почв в ССР // Материалы Х Междунар. конгр. почвоведов. М., 1974. Т. 10. С. 242-250.
