Ресурсы рекультивации и перспективы самовосстановления техногенно нарушенных территорий угольного разреза «Бунгурский»

В процессе добычи полезных ископаемых на дневную поверхность выносятся значительные объёмы вскрышных пород, в результате формируются новые по своему генезису техногенные ландшафты со своеобразным рельефом, обусловленным технологией разработки месторождения, микроклиматом и составом почвообразующих пород. Техногенно нарушенные территории характеризуются специфическими свойствами, значительно отличающимися от естественных ландшафтов. Прежде всего, это гидротермические, физико-химические и геохимические свойства вскрышных и вмещающих пород, складированные в отвалы. В результате различий рельефа и свойств почвообразующих пород на техногенно нарушенных территориях формируются молодые почвы – эмбриоземы с особыми свойствами и функциями, не похожими на свойства почв естественных ландшафтов [2].

Цель исследований . Комплексное изучение свойств плодородного слоя почв (ПСП), потенциальноплодородных пород (ППП) и свойств горных пород с точки пригодности их для рекультивации техногенно нарушенных территорий, а также оценка процессов самовосстановления старовозростных отвалов в районе проведения исследований.

Объекты и методы исследований. В качестве объектов исследований выбраны естественные почвы и техногенно нарушенные земли в лесостепной зоне Кузбасса, в районе ведения добычи каменного угля угольным разрезом «Бунгурский».

Для выполнения поставленной цели необходимо изучить свойства ПСП, ППП и вскрышных горных пород с оценкой пригодности их для развития растительного покрова и процессов почвообразования.

В ходе полевых экспедиционных работ были отобраны образцы ППП и ПСП основных типов почв, представленных на данной территории. Определение физических, агрохимических свойств почвенных образцов проводилось общепринятыми методами (Агрохимические методы исследования почв. М.: Наука, 1975).

Результаты исследований и их обсуждение. На перспективных участках ведения открытых горных работ угольного разреза «Бунгурский» распространены черноземы оподзоленные, лугово-черноземные, черноземно-луговые и лугово-болотные, а также темно-серые и серые лесные почвы. Мощность гумусового горизонта, пригодного для рекультивации в черноземах оподзоленных, а также черноземно-луговых почвах, изменяется в пределах 30–40 и 30–60 см соответственно, мощность у темно-серых почв составляет от 20 до 35 см. Поэтому покрытие техногенно нарушенной территории слоем ПСП мощностью 30–40 см, принятом в проекте рекультивации, в общем, будет соответствовать естественным природным условиям на 50–60 %, что позволит создать на поверхности отвала травянистые насаждения сельскохозяйственного (луга, сенокосы) и санитарно-защитного назначения. Снятие ПСП с луговых, лугово-болотных и серых лесных почв считается нерентабельным как с точки зрения экономических затрат, так и достаточно низкого плодородия данных типов почв. Во-первых, это связано с тяжелым гранулометрическим составом луговых почв, что приводит к их заплыванию с дальнейшим переуплотнением [3]. Во-вторых, данные типы почв характеризуются грубогумусным составом гумуса и низким содержанием доступных для растений форм основных элементов питания, которые при отсутствии подпитки грунтовыми водами трансформируются в труднодоступные. Серые лесные почвы характеризуются малой мощностью ПСП, в среднем 8–12 см с содержанием углерода 2–3 %, а также облегченным грансоставом, что приводит при складировании к заметному уменьшению содержания доступных для растений элементов питания.

Нами были проведены исследования по оценке основных элементов плодородия ПСП черноземов оподзоленных, черноземно-луговых и темно-серых лесных почв, а также материала ПСП, снятого ранее с естественных почв и складированного рядом на участках открытых горных работ. В таблицах 1–2 представлены результаты исследований.

Агрофизические свойства ПСП

Таблица 1

Образец	Плотность, г/см3	Плотность сложения, г/см3	Порозность, %	Содержание частиц (%) <0,01 мм	Содержание частиц (%) <1 мм
ПСП черноземов оподзоленных	2,58	1,15	55,4	57,6	97,8
ПСП черноземнолуговых	2,63	1,22	53,6	62,3	98,2
ПСП темно-серых лесных	2,46	1,16	52,8	48,0	95,4
Складированный ПСП	2,69	1,21	55,0	58,8	96,8

В целом агрофизические свойства ПСП благоприятны для создания насыпного почвеннорастительного слоя. Характеристики плотности верхних слоев черноземов в естественном состоянии показывают, что пахотный слой хорошо окультурен и обладает хорошей структурой, позволяющей обеспечивать оптимальную порозность пахотного слоя.

Гранулометрический состав ПСП в естественном состоянии характеризуется как средний или тяжелый суглинок, что является для данного района почвенно-экологической нормой. При снятии ПСП в результате перемешивания почвенных горизонтов различного гранулометрического состава происходит некоторое утяжеление гранулометрического состава, а также разрушение почвенных агрегатов. При складировании ПСП в буртах происходит уплотнение ПСП. Однако в поверхностных слоях при длительном хранении ПСП происходит разуплотнение почвенного материала, и ПСП становится более рыхлым и имеет более высокую порозность [4].

Агрохимические показатели ПСП в целом благоприятны и в естественных условиях характеризуются достаточным содержанием гумусовых веществ, азота, фосфора и калия. В результате снятия ПСП и перемешивания слоев с различным содержанием гумуса происходит заметное снижение содержания гумусовых веществ и валового азота. Такие изменения в содержании основных показателей плодородия в материале ПСП показывают несовершенство технологии снятия ПСП с естественных почв. В первую очередь это связано с глубиной снятия ПСП, так как мощность ПСП в естественных условиях варьирует в достаточно широких пределах, то при снятии ее происходит смешивание ПСП и малоплодородных слоев, что и приводит к снижению содержания основных элементов питания.

Агрохимические свойства ПСП

Таблица 2

Образец	рН водн.	Сорг, %	Валовое содержание, %
			Азот	Фосфор	Калий
ПСП черноземов оподзоленных	6,95	6,12	0,38	0,28	2,15
ПСП черноземнолуговых	6,82	7,23	0,41	0,24	2,10
ПСП темно-серых лесных	7,10	5,62	0,26	0,23	1,98
Складированный ПСП	6,83	6,50	0,29	0,35	2,01

Тем не менее материал ПСП характеризуется наиболее благоприятными агрохимическими и агрофизическими свойствами по сравнению с материалом вскрышных пород, складированных в отвале и ППП. Использование ПСП при создании корнеобитаемого слоя при рекультивации поверхности отвалов позволит создавать растительный покров практически любого назначения. Однако здесь также необходимо отметить, что длительное сохранение этого материала в больших буртах приводит к значительной потере благоприятных агрофизических и агрохимических свойств. Это связано с отсутствием биологического круговорота внутри бурта, а также с сильным уплотнением ПСП в ходе формирования бурта тяжелой техникой [3]. Поэтому и использование этого материала в целях рекультивации после длительного хранения может не дать желаемого эффекта.

Основными потенциально плодородными породами (ППП) в районе мониторинга являются лессовидные суглинки и покровные глины с различным уровнем содержания карбонатов. Лессовидные суглинки Кузнецкой котловины отличаются вертикальной столбчатостью, псевдомицелярной карбонатностью. По гранулометрическому составу они чаще всего рассматриваются как тяжелосуглинистые с преобладанием иловато-крупнопылеватой фракции. В воздушно-сухом состоянии эти суглинки обладают выраженной макро-агрегированностью, но у агрегатов низкая водопрочность. Однако наличие большого количества водопрочных микроагрегатов размером 0,25–0,01 мм создает удовлетворительные водно-воздушные условия в лессовых суглинках и обеспечивает хорошую водопроницаемость при относительно высокой влагоемкости. Реакция среды суглинков щелочная, что связано с карбонатностью, емкость обмена катионов 19–25 мг-экв на 100 г сухой массы.

Минералогический состав крупных фракций представлен кварцем, полевыми шпатами, слюдами, примесями ярко- и желто-зеленого хлорита, эпидота, роговой обманки и циркона. Из вторичных минералов преобладают минералы монтмориллонитовой группы и гидрослюд.

По физическому строению материал суглинков представляет собой в разной степени оструктуренную, рыхлую связанную массу. Основные физические показатели приведены в табл. 3.

Агрофизические свойства ППП

Таблица 3

Образец	Плотность, г/см3	Плотность сложения, г/см3	Порозность, %	Содержание частиц (%) >0,01 мм	Содержание частиц (%) > 1 мм
При складировании	2,38	1,54	35,3	58,86	100,0

Плотность сложения ППП в естественных условиях изменяется в пределах 1,40–1,60 г/см3. В нижней части почвенного профиля суглинистый материал характеризуется крупнокомковатой и глыбистой структурой. При транспортировке и отсыпке суглинков естественная структура разрушается, а при планировке на поверхности отвала происходит сильное уплотнение ППП.

По гранулометрическому составу по классификации Качинского материал суглинков, распространенных на территории разработки участков открытых горных работ, в основном относится к средним и тяжелым суглинкам и может содержать до 55 % частиц крупнее 0,01 мм. Такой гранулометрический состав является наиболее благоприятным для развития почвообразования в лесостепной зоне. Поэтому размещение в поверхностных слоях отвала и формирование из этого материала корнеобитаемого слоя будет способствовать восстановлению растительного и почвенного покрова на нарушенных землях. Агрохимические показатели ППП представлены в табл. 4.

Агрохимические свойства ППП

Таблица 4

Образец	Глубина, см	рН водн.	Сорг, %	Валовое содержание, %
				Азот	Фосфор	Калий
ППП	0-20	7,41	1,21	0,014	0,44	0,64
	40-60	7,80	0,72	0,010	0,52	0,62

По валовому содержанию основных элементов питания в ППП в 4–6 раз больше содержится азота и фосфора, чем во вскрышных породах, складированных в отвале. Содержание калия примерно одинаково. Содержание органического углерода оценивается как низкое.

Необходимо отметить почвенно-генетическую значимость этого материала в условиях лесостепи. Подавляющее большинство естественных почв в Кузнецкой котловине образовались именно на этих породах. Материал ППП является ценным ресурсом рекультивации, так как позволяет сформировать благоприятный по агрофизическим и агрохимическим свойствам корнеобитаемый слой. Поэтому, если в процессе разработки месторождения отсыпать материал ППП в поверхностных слоях отвала, на склонах, на террасах, то создаются благоприятные почвенно-экологические условия, позволяющие в дальнейшем значительно повысить эффективность рекультивационных работ и сократить затраты на биологический этап рекультивации.

Основными вскрышными и вмещающими породами в районе ведения горных работ являются песчаники, аргиллиты и алевролиты. В связи с тем, что отработка месторождения ведется не по селективной схеме, то субстрат отвала представляет собой хаотичную смесь песчаников, алевролитов и аргиллитов, с некоторым количеством суглинков и углистых частиц. Для характеристики этого субстрата были отобраны образцы материала с поверхности внешнего отвала на участке горных работ.

По физическому строению субстрат представляет собой бесструктурную каменистую массу. Основные физические показатели приведены в табл. 5.

Агрофизические свойства материала отвала

Таблица 5

Глубина, см	Плотность, г/см3	Плотность сложения, г/см3	Порозность, %	Содержание частиц (%) <0,01 мм	Содержание частиц (%) <1 мм
0-10	2,59	1,46	43,6	9,1	16,1
20-40	2,49	1,50	39,8	8,8	12,4
60-80	2,68	1,76	34,3	6,3	8,3

Плотность сложения изменяется достаточно в широких пределах. В поверхностных слоях она составляет 1,4–1,8 г/см3, что делает этот субстрат практически непроницаемым для воды и корней растений. Высокая плотность субстрата отвала обусловлена каменистостью пород, а также сильным уплотнением при формировании отвала. В то же время высокая плотность сложения необходима для обеспечения устойчивости отвала. Поэтому при проведении рекультивационных работ необходимо проводить мероприятия по снижению плотности поверхностных слоев отвала, или специально формировать корнеобитаемый слой из ППП и ПСП.

По гранулометрическому составу мелкоземистый материал отвала в основном относится к легким суглинкам и супесям и содержит более 85 % частиц крупнее 1 мм. Фракции крупнее 1 мм относятся к крупно-зему и неблагоприятно влияют на физические свойства почвообразующего субстрата, препятствуя проведению агротехнических работ и формированию устойчивого растительного покрова и развитию процессов почвообразования.

Другим фактором, затрудняющим естественное восстановление нарушенных ландшафтов, является незначительное содержание основных элементов питания во вскрышных породах, размещенных во внешнем отвале. Основные агрохимические показатели субстрата отвала приведены в табл. 6.

Агрохимические показатели субстрата отвала

Таблица 6

Глубина, см	рН водн.	Валовое содержание, %
		Азот	Фосфор	Калий
0-10	8,15	0,032	0,07	1,32
20-40	7,23	0,036	0,06	1,25
60-80	7,55	0,051	0,08	1,10

Материал отвала характеризуется щелочной и слабощелочной реакцией среды и очень малым содержанием валового азота и фосфора. Малое содержание этих элементов не способствует развитию почвенно-растительного слоя на поверхности отвалов. Содержание валовых форм калия можно охарактеризовать как среднее.

На субстрате с такими физическими и агрохимическими показателями может развиваться только очень ограниченный набор видов растений [5]. Со временем в результате выветривания вскрышных пород и развития процессов почвообразования свойства субстрата отвала в поверхностных слоях будут изменяться. Однако для создания более-менее благоприятных почвенных условий на таком субстрате может потребоваться очень длительное время – от 300 до 1000 лет. При этом все это время отвалы вскрышных пород могут негативно влиять на прилегающие ненарушенные ландшафты.

Если подобрать устойчивые и нетребовательные к питательному режиму виды растений (например, облепиха, сосна), то возможно озеленить поверхность отвалов и снизить негативное влияние на прилегающие территории. Однако, как показывают проведенные исследования, в почвенно-экологическом плане это не приведет к значительному улучшению условий почвовосстановления, и нарушенные территории практически навсегда останутся экоклинами – территориями, значительно отличающимися от естественных ландшафтов.

Заключение. Таким образом, только применение в технологии рекультивации отвалов с отсыпкой ППП и ПСП позволит надежно закрыть поверхность отвалов и существенно сократить негативные последствия разработки угольного месторождения в данном районе. В то же время искусственно созданный почвенный слой создает благоприятные почвенно-экологические условия для произрастания растительности согласно выбранному направлению рекультивации.

В целом агрофизические и агрохимические свойства ППП вполне благоприятны для использования этого материала для отсыпки отвалов. Однако для создания почвенно-растительного слоя на поверхности отвала необходимо некоторое улучшение агрохимических свойств ППП. Для этого необходимо увеличить содержание основных элементов питания с путем применения минеральных или органических удобрений, или почвоулучшителей. Можно также рекомендовать для улучшения свойств ППП смешивать его с материалом ПСП при снятии с территорий, отведенных для разработки месторождения. Это позволяет значительно снизить затраты на проведение горнотехнического этапа рекультивации.

Вскрышные и вмещающие породы, формирующие отвалы, на начальных этапах восстановления могут лимитировать формирование растительного покрова на поверхности отвалов за счет неблагоприятных свойств, препятствующих развитию процессов почвообразования. Поэтому рекультивация техногенно нару- шенных территорий должна быть направлена в первую очередь на формирование благоприятного корнеобитаемого слоя.