CC BY
87Труды Инсторфа 11 (64)
19
УДК 662.31.33:622.331:504.5.062.631.615
Кукушкина Е.Е.
Кукушкина Елена Евгеньевна к. с-х. н., доцент кафедры геологии, переработки торфа и сапропеля Тверского государственного технического университета (ТвГТУ). Тверь, Академическая, 12. [email protected]
Панов В.В.
Панов Владимир Владимирович, д. г. н., зав. кафедрой геологии, переработки торфа и сапропеля ТвГТУ. [email protected]
ПЕРСПЕКТИВЫ
ПОЛУЧЕНИЯ
БИОМАССЫ ТРОСТНИКА
(PHRAGMITES AUSTRALIS)
ПРИ ЕСТЕСТВЕННОМ
ЗАРАСТАНИИ
ВЫРАБОТАННЫХ
ТОРФЯНЫХ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ
В УСЛОВИЯХ ТВЕРСКОЙ
ОБЛАСТИ
Аннотация. В статье приведены результаты исследований особенностей формирования болотных сообществ при естественном самовосстановлении территорий выработанных торфяных месторождений в природно-климатических условиях Тверской области, данные по динамике основных характеристик роста и развития растений и формирования биомассы. Показано, что территории выработанных месторождений торфа могут быть потенциально пригодными для получения высоких урожаев сырой и сухой биомассы тростника.
Ключевые слова: биомасса, выработанный торфяник, тростник, торф
Kukushkina E.E.
Kukushkina Elena E., PhD, Associate Professor of the Chair of Geology and Processing of Peat and Sapropel of the Tver State Technical University. Tver, Academi-cheskaya, 12
Panov V.V.
Panov Vladimir V., D.Sc., Prof., Head of the Chair of Geology and Processing of Peat and Sapropel of the Tver State Technical University
PROSPECTS OF RECEIVING BIOMASS OF THE REED (PHRAGMITES AUSTRALIS) AT NATURAL OVERGROWING OF THE cutaway PEAT FIELDS IN THE CONDITIONS OF THE TVER REGION
Abstract. The article presents the results of studies of the formation of wetland communities in the natural self-healing area of cutaway peat deposits in the climatic conditions of the Tver region, the data on the dynamics of the main characteristics of plant growth and the biomass formation. It is shown that the territory of cutaway peat deposits can be potentially useful to obtain high yields of fresh and dry biomass of reed.
Key words: biomass, cutaway peatlands, reed, peat.
20
Труды Инсторфа 11 (64)
Восстановление нарушенных месторождений торфа должно сопровождаться повышением продуктивности, «полезности» территорий, т. е. определенным экономическим эффектом [1, 2]. С этой целью необходимо определить особенности самовосстановления выработанных торфяников, продукцию которых можно использовать. Этой задаче отвечает широко распространенное водно-болотное растение - тростник обыкновенный (Phragmitesaustralis) [3].
Биомасса тростника характеризуется широким потенциалом использования. Стебли являются долговечным кровельным материалом, из них изготавливают высокоэкологичные блоки для утепления домов. В Германии широко распространено плетение из тростника напольных покрытий, декоративных изгородей, элементов для строительства, изоляции и декорирования жилищ. Тростник может рассматриваться в качестве сырья для производства бумажной массы. Зеленая масса, скошенная в летнее время, является одним из компонентов для заготовки сочных кормов, например силоса. Брикеты и пеллеты, полученные на основе сухой биомассы, могут применяться как эффективное топливо.
Большая часть выработанных торфяных месторождений располагается вблизи крупных населенных пунктов. Заготовка и переработка биомассы будет способствовать дополнительной занятости населения, созданию новых рабочих мест, что важно при современном состоянии экономики. Таким образом, выращивание тростника следует считать одним из приоритетных направлений хозяйственного освоения этих территорий, а использование выработанных торфяников снижает риск появления пожаров на них [1, 4].
Исследования проводились в 2014 г. Цель исследований - изучение современного экологического состояния территории выработанного торфяного месторождения, особенностей формирования биомассы тростника (Phragmites australis) в естественных условиях произрастания в Тверской области. Объект исследований - выработанное торфяное месторождение Чувицино, на котором добыча торфа осуществлялась фрезерным способом. Площадь торфяного месторождения в нулевых границах залежи составляет 424 га, в промышленных границах - 306 га. Оно имеет почти округлую форму при среднем диаметре около
2 км, расположено в бассейне реки Тьмаки (которая протекает в 2 км от его западной границы). Тьмака соединяется с массивом через свой правый приток - ручей Клетень. Общий уклон поверхности 0,001, он направлен на север в сторону ручья.
Образование торфяного месторождения происходило за счет заболачивания суходола. Ввиду малого склона просачивание и сток воды осуществлялись очень медленно. В результате на исследуемой территории накапливались воды, стекающие с окружающих суходолов. Формирование торфяных отложений большей частью связано с отмиранием травяно-осоковой растительности, среди древесных пород преобладают лиственные: береза, ива и ольха. Остаточный слой залежи состоит преимущественно из торфов низинного типа: древесно-осокового, ольхового, гипново-низинного. По наиболее пониженным частям дна торфяника залегает древесно-низинный торф. Подстилающим грунтом являются песок и суглинки.
В текущем состоянии месторождение не используется. Преобладает процесс естественного нерегулируемого восстановления болота. Повторному обводнению территории способствует активная деятельность бобров, которые частично перегородили каскадом плотин-перемычек магистральный канал, вытекающий из болота, тем самым поддерживая на территории средний уровень воды. Вследствие снижения дренажного влияния магистрального канала картовые каналы в течение весны и осени полностью заполнены, что значительно снизило колебания уровня воды по периодам. Вся площадь выработанного торфяника имеет растительный покров с преобладанием тростника. Единично или группами (в основном вдоль мелиоративных канав) встречаются березы в возрасте около 10-30 лет, а также отдельные кусты ивы пепельной.
Для объективной характеристики особенностей формирования естественного растительного сообщества выработанного торфяного месторождения на территории Чувицино был использован метод случайно заложенных учетных площадок, разбросанных в пределах одного контурфитоценоза. Были выделены 4 учетные стационарные делянки площадью 50 м2 каждая (5 х 10 м, форма делянки - прямоугольная). Абрис местоположения учетных площадок показан на рис. 1.
Труды Инсторфа 11 (64)
21
Рис. 1. Схематичное изображение местоположения учетных площадок № 1-4 на выработанном торфяном месторождении Чувицино, 2014 г.
Fig. 1. Scheme of the location of registration sites № 1-4 in cutaway peatland Chuvitsino, 2014.
В соответствии со схемой опыта проводились исследования качества и уровня грунтовых вод, мощности остаточного придонного слоя торфа. Результаты представлены на рисунке 2 и в таблицах 1 и 2. Было выявлено, что поверхность выработанного торфяника подстилается хорошо разложившимся торфом, средняя зольность которого в поверхностном слое -0,25-0,5м - и в слое 0,5-0,75 м была равной 19,4 и 37,9% соответственно.
Территория торфяника Чувицино в течение весенне-летнего периода 2014 г. находилась в частично затопленном состоянии, гидрологический режим после засушливого лета 2013 г. полностью не восстановлен. Уровень грунтовых вод колебался по периодам, достигая критических отметок во второй (11.07) и третий (4.08) сроки учетов, и в большей степени зависел от метеорологических условий, поскольку работы по строительству и реконструкции водоповышающих сооружений на месторождении не проводились. Дифференциация учетных площадок по степени обводненности сохранялась до 21.10: критический минимальный уровень был характерен для учетной пло-
щадки 2, существенная амплитуда начального весеннего и летнего уровней УГВ установлена на делянках 3 и 4, оптимальный уровень УГВ с наименьшими колебаниями во времени - на учетной площадке 1 (рис. 3).
0,75 ■ глубина воды, м
Рис. 2. Глубина воды и мощность остаточного придонного слоя торфа на учетных площадках к началу вегетационного периода, май 2014 г.
Fig. 2. The thickness of water layer and the residual peat layer in the registration sites by the beginning of the growing season, May 2014.
22
Труды Инсторфа 11 (64)
Таблица 1. Результаты полевых исследований свойств торфяной залежи и качества воды
на выработанном торфяном месторождении Чувицино, 2014 г.
Table 1. Results from field studies of the properties of peat deposits and water quality in the cutaway peat
deposit Chuvitsino, 2014.
№ учетной площадки Дата исследований Глубина торфяной залежи, м В том числе Показатели качества воды
глубина воды, м глубина торфа, м температура, °С рН Eh Электропровод- ность Содержание кислорода, мг/л Насыщенность кислородом, %
1 7.05 1,0 0,5 0,5 5,95 7,3 +135 243 1,11 9,2
2 0,8 0,05 0,75 5,76 6,44 +79 172 0 0
3 0,5 0,5 0,0 1,34 6,7 -56 276 0 0
4 0,8 0,25 0,55 1,13 6,71 +76 241 0,4 2,9
Канава на карте с площадками 3 и 4 глубина воды 0,6 м, ширина канавы 0,6 м 5,2 5,93 +136 293 3,1 25,1
МК 6,25 6,72 +141 291 7,7 30,5
1 11.07 +14 7,0 +31 260 2,70 25,5
2 +12 6,6 +67 203 2,35 22,3
3 +11 6,6 +90 289 0,99 6,0
4 +13 7,6 +88 279 0,7 7,0
1 4.08 +19 6,7 217 416 0 0
2 +18 6,3 54 186 0,05 0,5
3 +17,7 6,5 151 272 0 0
4 18,3 7,1 156 230 0,592 0
5
о
Q.
>
-10
-15
-20
-25
2 июня
2 июля
2 августа
0
5
делянка 1 делянка 2 делянка 3 делянка 4
Рис. 3. Уровень грунтовых вод на опытных площадках в течение вегетационного периода 2014 г.
Fig. 3. The level of groundwater in the experimental plots during the growing season of 2014.
Труды Инсторфа 11 (64)
23
Таблица 2. Результаты оценки качества природных вод на торфяном месторождении Чувицино, июнь
2014 г.
Table 2. Results of the evaluation of the quality of natural water in the peat deposit Chuvitsino June 2014.
№ пп Измеряемый параметр Ед. изм. Фактическое значение НТД
проба участка 1 проба участка 2 проба участка 3 проба участка 4
1 рН Ед. 6,68 ± 0,20 6,71 ± 0,20 6,74 ±0,020 6,94 ±0,20 ПНДФ 14.1:2:3:4.121- 97
2 Удельная электрическая проводимость (25 °С) мкСм/ см 212 ± 11 176 ± 18 233 ± 12 316 ± 16 РД 52.24.495 -2005
3 Цветность Град. 1101± 36 243 ± 36 191 ± 9 232 ± 10 РД 52.24.497-2005
4 Перманганатная окисляемость (фильтрованная) мг/дм3 62 ± 19 24 ± 7 16 ± 5 17 ± 5 ЦВ 1.01.14-98 «А»
5 ХПК-фильтр мг/дм3 159 ±32 101 ± 20 67 ± 13 74 ± 17 ПНДФ 14.1:2:4.190-03 (2012)
6 Нитрат-анионы мг/дм3 <0,21 <0,21 < 0,21 < 0,21 ПНДФ 14.1:2.157 - 99 (2009)
7 Нитрит-анионы мг/дм3 <0,21 <0,21 < 0,21 < 0,21 ПНДФ 14.1:2.157 - 99 (2009)
8 Аммонийный ион мг/дм3 <0,51 <0,51 < 0,51 < 0,51 ПНДФ 14.1:2:4. 167 - 00 (2011)
9 Хлорид-анионы мг/дм3 <0,51 <0,51 0,72 ± 0,17 2,7 ± 0,6 ПНДФ 14.1:2.157 - 99 (2009)
10 Сульфат-анионы мг/дм3 <0,51 <0,51 4,1 ± 0,8 1,3 ± 0,3 ПНДФ 14.1:2.157 - 99 (2009)
11 Фосфаты-анионы мг/дм3 <0,251 <0,251 <0,251 <0,251 ПНДФ 14.1:2.157 - 99 (2009)
12 Фторид-анионы мг/дм3 0,12 ± 0,02 0,13 ± 0,02 0,21 ± 0,04 0,23 ± 0,04 ПНДФ 14.1:2.157 - 99 (2009)
13 Кальций мг/дм3 44,9 ± 4,5 28,9 ± 2,9 37,1 ± 3,7 50,6 ± 5,1 ПНДФ 14.1:2:4. 167 - 00 (2011)
14 Магний мг/дм3 7,5 ± 1,1 6,0 ± 0,8 8,2 ± 1,2 9,8 ± 1,1 ПНДФ 14.1:2:4. 167 - 00 (2011)
15 Цинк мг/дм3 0,099 ± 0,025 0,036 ± 0,009 0,046 ± 0,010 0,0030± 0,0008 ПНДФ 14.1:2:4.222-06
16 Кадмий мг/дм3 <0,00021 <0,00021 <0,00021 <0,00021 ПНДФ 14.1:2:4.222-06
17 Свинец мг/дм3 0,0062±0,0017 0,0035 ± 0,0010 0,0033 ± 0,0009 0,0041 ± 0,0011 ПНДФ 14.1:2:4.222-06
18 Медь мг/дм3 0,056± 0,012 0,023 ± 0,005 0,0057 ± 0,0023 0,013 ± 0,003 ПНДФ 14.1:2:4.222-06
19 Железо общее (все растворенные формы) мг/дм3 17,9 ±1,8 0,71 ±0,11 1,44 ±0,22 2,16 ±0,32 ПНДФ 14.1:2:4.50-96 (2011)
20 Марганец мг/дм3 0,54 ±0,11 0,15 ± 0,03 0,13± 0,03 0,30 ± 0,06 ПНДФ 14.1:2:4.222-06
21 Калий мг/дм3 0,70± 0,14 <0,51 <0,51 <0,51 ПНДФ 14.1:2:4. 167 - 00 (2011)
22 Натрий мг/дм3 1,5 ± 0,3 2,0 ± 0,4 2,8 ± 0,4 2,6 ± 0,4 ПНДФ 14.1:2:4. 167 - 00 (2011)
23 Литий мг/дм3 <0,0151 <0,0151 <0,0151 <0,0151 ПНДФ 14.1:2:4. 167 - 00 (2011)
24 Барий мг/дм3 <0,11 <0,11 <0,11 <0,11 ПНДФ 14.1:2:4. 167 - 00 (2011)
25 Стронций мг/дм3 <0,251 <0,251 <0,251 <0,251 ПНДФ 14.1:2:4. 167 - 00 (2011)
Таким образом, основными параметрами состояния поверхности выработанного торфяного месторождения, потенциально способными оказывать влияние на структуру растительного сообщества и его продуктивность, в нашем опыте являлись: мощность остаточного придонного слоя торфа и уровень грунтовых вод.
С целью оценки направления восстановления выработанного торфяника Чувицино и
определения состояния фиторазнообразия в конце вегетационного периода (1 сентября) были проведены геоботанические изыскания, в результате которых установлены следующие особенности.
На учетной площадке 1 в условиях четко выраженного избыточного увлажнения (обводнение территории - 100%) в составе растительного сообщества преобладали растения тростника (80%). Стебли тростника
24
Труды Инсторфа 11 (64)
составляли верхний ярус (средняя высота -1,8-2,4 м). Дополнительно на учетной площадке в среднем по высоте ярусе (0,6-0,7 м от поверхности) произрастали: кипрей при-ручейный (Epilobium palustre L.), хвощ топяной (Equisetum palustre L.), осока дернистая (Carex cespitosa L.). Нижний ярус сообщества (0,4-0,6 м от поверхности) включал: осоку вдутую (Carex rostrata Stokes) с хорошо сформированными колосками, а также всходы (средняя высота растений - 4-8 см) зюзника европейского (Lycopus europaeus L.) и подмаренника топяного (Galium uliginosum L.). Проективное покрытие вегетирующих растений было равным 60%.
В нижнем ярусе на высоте 32 см от поверхности сформировалась своеобразная «подстилка», полностью состоящая из стеблей тростника прошлых лет вегетации, из них большая часть находилась в полеглом состоянии (проективное покрытие - 100%). Отмершие стебли не препятствовали росту и развитию новых растений.
Растительное сообщество на учетной площадке 2 сформировалось в условиях меньшего увлажнения в течение всего летнего периода. Большее разнообразие видов главным образом определялось водно-воздушным режимом территории. Доминировал хвощ, тростник находился в угнетенном состоянии. Общее проективное покрытие было равным 55%, из них 20% приходилось на стебли тростника, 30% составил хвощ речной (Equisetum fluviatile L.) и 5% - наумбур-гия кистецветная (Naumburgia thyrsiflora L.). Единично встречались: ива пепельная (Salix cinerea L.), валериана лекарственная (Valeriana officinalis L.), одуванчик лекарственный taraxacum officinalis Wigg. s. l.), зюзник европейский (Lycopus europaeus), вех ядовитый (Cicuta virosa L.), подмаренник топяной (Galium uliginosum), кипрей болотный (Epilobium palustre), осока дернистая (Carex cespitosa), мелколепестник канадский (Erigeron canadensisL.), бодяк болотный (drsium palustre (L.) Scop.). Растения находились в нижнем ярусе сообщества, накапливая незначительную биомассу. Повсеместно на высоте 15-20 см от поверхности размещались отмершие стебли растений прошлых лет вегетации (проективное покрытие 90%, в том числе хвощ - 70%, тростник - 20%).
При суммарном проективном покрытии 80% растительное сообщество на учетной пло-
щадке 3 было в основном представлено растениями тростника (60%), ивы пепельной (10%), вахты трилистной (Menyanthes trifoliata L.) (5%) и осоки дернистой (Carex cespitosa L.) (5%). Дополнительно на территории произрастали: хвощ топяной (Equisetum palustre), подмаренник прибрежный (Galium revale), рогоз широколистный (Typha latifolia L.), осока дернистая (Carex cespitosa). Лучшие по сравнению с учетной площадкой 2 условия увлажнения привели к формированию более высокорослых, хорошо облиственных растений тростника.
Основные характеристики площадки 4: общее проективное покрытие - 80%, в том числе тростник - 70%, ива пепельная - 10%. На кочках (средняя высота - 30 см) произрастают осока дернистая (Carex cespitosa) и вздутая (Carex rostrata). Повсеместно встречаются подмаренник прибрежный, кипрей болотный, хвощ топяной, рогоз широколистный, сабельник болотный (Comarum palustre L.).
Результаты геоботанического исследования представлены в табл. 3.
Таблица 3. Состав растительного сообщества на учетных площадках выработанного торфяного месторождения Чувицино, 2014 г.
Table 3. The composition of the community in the registration sites of the cutaway peat deposit
Chuvitsino, 2014.
Состав сообщества № учетной площадки
1 2 3 4
Тростник 60 20 60 70
Кипрей приручейный + + +
Хвощ топяной +
Хвощ речной 30 + +
Осока дернистая + + + +
Осока вздутая + 5 +
Зюзник европейский + +
Подмаренник топяной + +
Подмаренник прибрежный + +
Наумбургия кистецветная 5
Ива пепельная + 10 10
Валериана лекарственная +
Одуванчик лекарственный +
Вех ядовитый +
Мелколепестник канадский +
Бодяк болотный sp
Вахта трехлистная 5
Рогоз широколистный + + +
Сабельник болотный +
Труды Инсторфа 11 (64)
25
Геоботанические изыскания показали, что видовое разнообразие растительности на выработанных торфяных месторождениях определяется уровнем обводнения территории, водно-физическими свойствами придонного слоя торфа. Ненарушенный гидрологический режим, достаточное, близкое к естественному увлажнение в течение вегетационного периода приводят к формированию маловидового состава сообществ, монодоминантой в которых являются растения тростника с проективным покрытием до 70%.
На хорошо осушенных участках при недостаточном увлажнении (среднегодовой уровень воды ниже земной поверхности) тростник находится в угнетенном состоянии. В состав фитоценоза входят: хвощ топяной, кипрей приручейный, осока дернистая, ива пепельная и др.
Нашими исследованиями подтверждается, что территорию выработанного месторождения возможно считать потенциально пригодной для культивирования тростника. Но для создания оптимальных условий произрастания растений необходимо восстановление гидрологического режима болотной системы, нарушенного при осушительных работах, т. е. повторное заболачивание.
При оценке продуктивности растений тростника были использованы общепринятые методики учетов и наблюдений. Применяли метод пробной площадки: по диагонали каждой делянки колышками фиксировали четыре квадратные учетные площадки по 0,25 м2, в сумме составляющие 1 м2. При этом на основе визуальных наблюдений выбиралась наиболее типичная часть растительного сообщества.
В течение вегетационного периода учеты и наблюдения проводили 5 раз с интервалом в 20-25 дней: 2.06, 20.06, 11.07, 4.08, 1.09.
Надземную часть (надземную фитомассу) всех видов произрастающих на учетной площадке растений удаляли полностью вручную. В поле образцы упаковывали в полиэтиленовые пакеты, этикировали и транспортировали в лабораторию.
В камеральных условиях пробы разбирали по видам и фракциям, устанавливали суммарную площадь листьев, среднюю площадь одного листа, общее количество стеблей и количество продуктивных стеблей, среднюю высоту растений, сырую биомассу.
Для определения сухой биомассы растений пробы предварительно высушивались до абсолютно сухого веса в термостате при температуре +105 °С. Подземная фитомасса вследствие значительного проникновения корневищ тростника в вертикальном направлении в почвенном профиле и наличия воды на поверхности не учитывалась. Учет мертвой фитомассы (мортмассы ) в опыте проводился один раз - 21.10. Для изучения семенной продуктивности на соцветиях тростника в фазе выметывания были установлены изоляторы.
Результаты учетов густоты стеблестоя представлены на рис. 4.
делянка 1 делянка 4
Рис. 4. Динамика формирования густоты стеблестоя растений тростника, 2014 г.
Fig. 4. Dynamics of the formation of the density of reed stalks, 2014.
Нами отмечено, что в условиях близкого от поверхности почвы расположения грунтовых вод, и как следствие, достаточного увлажнения в течение весенне-летнего периода преобладает однородная влаголюбивая растительность, в основном представленная тростником (учетные площадки 1 и 4), густота стеблестоя которого формируется в течение всего вегетационного периода.
26
Труды Инсторфа 11 (64)
От расположенных на корневище спящих почек отрастание стеблей происходит неравномерно, в различные сроки. Так, на делянке 1 в первый срок учета (2.06) густота стеблестоя составила 52 шт/м2, к 20.06 количество стеблей увеличилось до 84 шт/м2, в третий срок учета (11.07) установлено максимальное значение показателя - 124 шт/м2. К началу августа (четвертый срок учета -4.08) стеблестой на учетных площадках практически полностью сформировался. Аналогичные результаты по динамике отрастания стеблей получены на делянке 4.
Максимальное отрастание стеблей тростника приходилось на период с начала июня (2 июня) до конца июля (28 июля). В более поздние сроки возобновление новых стеблей от спящих почек существенно замедлялось.
Таким образом, в условиях аномально засушливых метеорологических условий лета 2014 г. возобновление вегетативной массы многолетних растений было ограничено количеством продуктивной влаги в поверхностном слое торфяной почвы. По видимому, реакция растений тростника на недостаток доступной влаги приводила к замедлению отрастания от корневища новых стеблей. Следует отметить, что полученные экспериментальные данные нуждаются в дальнейшей систематизации посредством сравнения результатов нескольких лет мониторинговых наблюдений.
В качестве основных биометрических показателей были выбраны: высота растений, длина листа, ширина листа, длина соцветия. Высоту измеряли в лабораторных условиях от основания стебля до верхней точки вытянутого листа на 10 случайно выбранных растениях. В конце вегетационного периода (1.09) на растениях тростника отдельно учитывали высоту продуктивных стеблей и высоту стеблей подгона (стеблей без соцветия). Динамика изменения высоты растений тростника в течение вегетационного периода представлена на рис. 5.
Результаты исследований показали, что рост растений тростника в оптимальных условиях периодического подтопления (1020 см над поверхностью почвы, делянки 1, 3 и 4) продолжался в течение всего вегетационного периода. Максимальное значение показателя - 194,8 см установлено в варианте 3. На учетной площадке 2 растения, используя весенние запасы продуктивной
250
200
150
100
50
0
02. июнь 02. июль 02. август
делянка 1 Щ делянка 2
делянка 3 X делянка 4
Рис. 5. Изменение высоты растений тростника в течение вегетационного периода 2014 г.
Fig. 5. Changing the height of reed during the growing season 2014.
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
делянка 1 делянка 2 делянка 3 делянка 4
Рис. 6. Высота растений тростника на учетных площадках к концу вегетационного периода 2014 г., см
Fig. 6. Height of reed in the registration sites by the end of the growing season of 2014, sm
Труды Инсторфа 11 (64)
27
влаги, активно росли в период с 2.06 по 11.07. В дальнейшем недостаток влаги приводил к резкому снижению прироста, и к концу вегетации средняя высота растений была равной 82,3 см (рис. 6).
По нашим предположениям, доминантную растительность участков выработанных торфяных месторождений возможно рассматривать как индикатор состояния поверхности и долгосрочных водных условий. Важнейшим лимитирующим фактором природных условий, оказывающим наибольшее влияние на биометрические показатели растений тростника, является наличие доступной влаги в поверхностном придонном слое. Недостаток влаги приводит к появлению низкорослых стеблей с незначительной потенциальной семенной продуктивностью.
Запасы и структура надземной фитомассы являются наиболее существенными экологическими характеристиками растительного покрова.
Сырую надземную биомассу по видам растений определяли в лабораторных условиях посредством взвешивания фракций (стеблей и листьев). Динамика накопления сырой биомассы растениями тростника в течение вегетационного периода представлена на рис. 7.
Результаты свидетельствуют, что на выработанном торфяном месторождении Чуви-цино в 2014 году сезонный (91 день) прирост растений тростника достигал на учетных площадках 1-3, 4-11,99; 1,35; 12,75 и 8,45 г/м2 сырой массы в сутки, а устойчивый привес -1091,2; 179,7; 2495,6 и 1647,6 г/м2 соответственно.
Максимальная в опыте продуктивность сырой надземной биомассы тростника представлена на рисунке 8. Практически на всех учетных площадках она сформировалась к 4 августа. Проведенные исследования позволяют установить, что в большинстве условий произрастания первая декада августа является наиболее оптимальным в данных природно-климатических условиях сроком уборки зеленой массы. На делянках 1-3 после первоначального закрепления видов в сообществе растений доминировал тростник, и урожайность сырой массы коррелировала с его высотой.
Сопоставление результатов определения фитомассы тростника по структурным частям растений приведено на рис. 9.
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
02. июнь 02. июль 02. август
делянка 1 делянка 2
делянка 3 делянка 4
Рис. 7. Накопление сырой надземной фитомассы растениями тростника, г/м2, 2014 г.
Fig. 7. Accumulation of aboveground biomass of reed, g/m2, 2014.
___________________2495,6
2500 2000 1500 1000 500 0
делянка 1 делянка 2 делянка 3 делянка 4
Рис. 8. Урожайность сырой надземной массы растений тростника, г/м2
Fig. 8. The yield of the fresh aboveground biomass of reed, g/m2
28
Труды Инсторфа 11 (64)
2500
2000
1500
1000
500
0
1730
Делянка 3
Щ сырая масса стеблей, г/м2 | сырая масса листьев, г/м2
Делянка 4
Рис. 9. Соотношение основных структурных компонентов в составе надземной фитомассы растений тростника, 2014 г.
Fig. 9. Value of the main structural components in the aboveground biomass of reed, 2014.
| сухая масса растений тростника, г/м2
Рис. 10. Накопление сухой надземной биомассы растениями тростника, 2014 г.
Fig. 10. The accumulation of dry aboveground biomass of reed, 2014.
Сбор сухой фитомассы растений тростника колебался в зависимости от условий произрастания от 6,6 т/га (учетная площадка 1) до 11,1 т/га в год (учетная площадка 3). Следует отметить, что формирование надземной биомассы растений происходило в аномально засушливых погодных условиях лета 2014 г. Поэтому одногодичные экспериментальные данные являются явно недостаточными для оценки потенциальной урожайности сухой фитомассы тростника в годы с систематическим выпадением осадков.
Анализ накопленных материалов не позволяет полностью выявить все закономерности в данном процессе, которые достаточно сложны и неоднозначны. В частности, экспериментальным путем было установлено, что достоверное увеличение продуктивности определяется целым рядом свойств, среди которых наибольшее значение имеют наличие доступной для растений влаги и различия в глубине добычи торфа, определяющие состояние поверхности торфяной почвы (рис. 10). Так, при недостатке влаги сбор сухой фитомассы был минималь-
ным - 81,54 г/м2. Возможно, что полное удаление торфа до минерального слоя (учетная площадка 3) способствовало увеличению урожайности с 659,66г/м2 (учетная площадка 1) до 1106,15 г/м2. Несомненно, что полученные результаты нуждаются в дальнейшем практическом подтверждении и теоретическом осмыслении.
Анализ экспериментальных материалов позволяет установить определенные закономерности в формировании фитомассы растительных сообществ в целом, и растений тростника в частности, на выработанных торфяных месторождениях. Количество фитомассы, образующейся в заболоченных местах, зависит от технологических особенностей добычи торфяного сырья, а именно от свойств, мощности остаточного придонного слоя торфа (который в дальнейшем является основой формирования торфяной почвы, от содержания питательных веществ), а также от уровня увлажнения территории и ряда факторов биологического характера (доминирующие растения в составе фитоценоза). Так, богатые
Труды Инсторфа 11 (64)
29
питательными веществами и доступной влагой выработанные торфяники являются оптимальной средой для образования биомассы и могут давать даже в засушливых условиях до 1106,2 г/м2 сухой массы тростника. Однако, учитывая метеорологические условия проведения опыта, полученные результаты не следует считать абсолютными.
Фотосинтетическую деятельность растений характеризуют следующие показатели: динамика средней площади листа (рис. 11), суммарная площадь листьев (рис. 12), чистая продуктивность фотосинтеза - ЧПФ (рис. 13), индекс листовой поверхности (рис. 14).
Растения тростника на учетных площадках реагировали на условия произрастания (температурный, питательный, водный режимы) изменением своих параметров. Динамика площади листьев показала, что на разных этапах вегетации фитоценоз как фотосинтезирующая система функционировал неодинаково. Первые 20-30 дней вегетации, когда средняя площадь листьев составляла от 5024 м2/га (учетная площадка 3) до 11 555,2 (учетная площадка 1) м2/га, большая часть ФАР не улавливалась листьями. Далее площадь листьев начинала быстро нарастать, достигая максимума. На учетной площадке 1 максимальное значение этого показателя (100 480 м2/га)
установлено 11 июля. На делянках 2-4 -4 августа - 18 884,9; 104 521 и 97 250,3 м2/га соответственно. В более поздние сроки площадь листьев начинала постепенно снижаться, но в среднем сохранялась на достаточно высоком уровне.
Растительное сообщество наиболее активно функционировало в течение 2-го и 3-го периодов учета, т. е. с 20.06 по 4.08. За это время накапливалось 60-70% фитомассы. В пределах одной учетной площадки ЧПФ варьировала в течение вегетации, при этом прослеживалась следующая закономерность. В первичные этапы ЧПФ была выше, чем в последующие, так как в начале вегетации растения не затеняли друг друга, все листья были хорошо освещены. В дальнейшем в связи с увеличением площади листьев и затенением нижних листьев ЧПФ начинала уменьшаться. В конце вегетации, когда площадь листьев незначительная, суточные приросты биомассы были также невелики. В это время идет перераспределение накопленных ассимилятов из листьев, стеблей в генеративные органы и корневища.
Подводя итоги, следует еще раз подчеркнуть, что фотосинтетическая деятельность растений тростника, обуславливающая продуктивность фитоценоза, находится в тесной связи с гидрологическими условиями места
43
36,7
Рис. 11. Динамика средней площади листа растений тростника, 2014 г. Fig. 11. Dynamics of average leaf area of reed, 2014.
30
Труды Инсторфа 11 (64)
Рис. 12. Суммарная площадь листьев растений тростника, м2/га, 2014 г.
Fig. 12. The total area of the leaves of reed, m2/ha, 2014.
Рис. 13. Зависимость средней за вегетацию ЧПФ от площади листьев растений тростника, 2014 г.
Fig. 13. Dependence of the average of the net productivity of phytomass from the leaf area of reed, 2014.
Рис. 14. Динамика индекса листовой поверхности растений тростника в течение вегетационного периода 2014 г.
Fig. 14. Dynamics of leaf area index of reed during the growing season of 2014.
Труды Инсторфа 11 (64)
31
произрастания. Достаточная влагообеспеченность способствует увеличению площади ассимиляционной поверхности, фотосинтетического потенциала, чистой продуктивности фитомассы. При оптимальной влагообеспеченности фактором, ограничивающим ростовые процессы, становится минеральное питание растений, состояние остаточного придонного слоя торфа. Полученные результаты позволяют прогнозировать уровень и режим воды при повторном заболачивании деградированных торфяников с целью выращивания тростника и восстановления этих земельных угодий. Но для обоснования объективной и рациональной стратегии заболачивания, выработки конкретных рекомендаций наша гипотеза требует дополнительных исследований.
Таким образом, полученные экспериментальные данные позволяют сделать следующие выводы.
Сочетание основных факторов болотообразования и экологических особенностей на выработанных торфяных месторождениях обусловливает геоботанические условия восстановления территории, естественное биоразнообразие фитоценоза. При оптимальном и стабильном влагообеспечении, при условии что уровень воды находится близко к дневной поверхности, преимущественно формируется монодоминантное сообщество, состоящее из растений тростника. Недостаток доступной влаги может привести к развитию субоптимальной популяции растений на единицу площади.
Биометрические показатели, продуктивность растений тростника в основном определяются уровнем, режимом, свойствами торфяной почвы. Изучение биологических особенностей формирования биомассы тростника позволит разработать научное обоснование проектов восстановления деградированных после интенсивного антропогенного вмешательства земель, определить основную концепцию их использования.
В неблагоприятные по метеорологическим условиям годы при ежегодной уборке потенциальная урожайность биомассы тростника в
естественных условиях произрастания может достигать 11,1 т сухого вещества на гектар. При уборке с периодичностью один раз в два года - 20,9 т/га.
Выработанные торфяные месторождения после их повторного заболачивания возможно эффективно использовать для выращивания и сбора биомассы тростника, которая может рассматриваться в качестве ценного промышленного сырья. Повторное заболачивание деградированных торфяников будет не только способствовать их экологически сбалансированному восстановлению, улучшению гидрологического режима, но и позволит дополнительно получать продукцию, снизит пожароопасность территории. Практический подход значительно повысит ценность этих земельных угодий.
Библиографический список
1. Перспективное использование выработанных торфяных болот: монография/Под ред. В.В. Панова. - Тверь: Триада, 2013. - 280 с.
2. Таннебергер, Ф. Углеродные кредиты и заболачивание деградированных торфяников / Ф. Таннебергер, В. Вихтман. Schweizerbart Science Publishers. Stuttgart, 2011. 215 с. www.Moh-Sfagnum.ru;www. Fialki-Senpolii.ru
3. Кукушкина, Е.Е. Особенности формирования фитоценозов при естественном зарастании выработанных торфяных месторождений в условиях Тверской области. Теоретические и прикладные вопросы науки и образования// Сб. научн. трудов по материалам Междунарожной научно-практич. конф., часть 2. - Тамбов: UCOM, 2015. - С. 96-99.
4. Кукушкина, Е.Е. Пути снижения пожароопасности территорий выработанных торфяников. Вопросы образования и науки: теоретический и методический аспекты// Сб. научн. трудов по материалам Международной научно-практич. конф., часть 7. -Тамбов: UCOM, 2014, - С. 88-90.
Эти исследования проведены при поддержке Проекта «Восстановление торфяных болот в России в целях предотвращения пожаров и смягчения изменений климата», финансируемого в рамках Международной климатической инициативы Федеральным министерством окружающей среды, охраны природы, строительствa и безопасности ядерных реакторов Федеративной Республики Германия и управляемого через Германский банк развития KfW (проект № 11 III 040 RUS K Восстановление торфяных болот).
This study was prepared with the support from the Project «Restoring Peatlands in Russia - for fire prevention and climate change mitigation» financed under the International Climate Initiative (ICI) by the German Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation, Building and Nuclear Safety (BMUB) and facilitated through German Development Bank KfW (Project number 11 III 040 RUS K Restoring Peatlands).
