Влияние экологических условий угольных месторождений юга Кузбасса на произрастание культур кедра сибирского

Введение. Формирование растительного покрова является одним из важнейших факторов оптимизации природной среды на территориях разработки месторождений полезных ископаемых. В Кузбассе, где в результате добычи каменного угля природные ландшафты испытывают колоссальный экологический прессинг, вопросы адаптации растительности к изменяющимся условиям окружающей среды приобретают глубокий научный смысл.

Угольные месторождения Юга Кузбасса (Междуреченский район, южная часть Новокузнецкого района), по лесорастительному районированию Г.В. Крылова [5], расположены в подпоясе среднегорной черневой тайги Кузнецкого черневого округа на границе Кузнецко-Алатауского горно-таежного и Горношорского таежного осиново-пихтового районов. Здесь преобладают пихтовые леса, имеющие состав 8П1Б1Ос+ед. К., III–V класс бонитета и полноту 0,4–0,5 [3].

Черневая тайга, окружающая новообразованные техногенные ландшафты, оказывает существенное влияние на их зарастание. Одним из первых древесных видов, поселяющихся на отвалах, является кедр сибирский, или сосна сибирская ( Pinus sibirica Du Tour). В составе древостоев черневой тайги кедр не образует сомкнутых одновидовых древостоев и выступает в роли второстепенного эдификатора лесных сообществ. Однако условия произрастания древесной растительности, складывающиеся на отвалах, отличаются от условий окружающих ландшафтов. Поэтому кедр, обладающий зоохорной способностью к распространению семян, активно поселяется на отвалах, распространяясь далеко от маточных деревьев, и по обилию подроста занимает второе место, уступая среди деревьев первой величины лишь березе повислой, под покровом которой сеянцы кедра хорошо развиваются [4, 12]. В дальнейшем, по мере развития на отвалах лесных фитоценозов, кедр сибирский, вероятно, может стать доминирующей древесной породой техногенных ландшафтов таежной подзоны.

Однако естественное зарастание и протекание сукцессий по естественному пути будут происходить в течение неопределенно долгого времени. Природные механизмы зарастания отвалов должны быть воспроизведены при облесении отвалов. Поселение кедра сибирского на отвалах свидетельствует, что данная древесная порода может с успехом применяться в лесной рекультивации.

Вопросы произрастания кедра на участках рекультивации освещены в работах ряда кузбасских исследователей [6, 8]. Многосторонняя хозяйственная ценность и положительный опыт интродукции кедра сибирского позволяют считать его перспективным видом для создания насаждений защитного, орехоплодового и декоративно-рекреационного назначения. К настоящему времени культуры кедра сибирского на участках рекультивации представлены экспериментальными площадками и мелкоконтурными производственными участками, значительно уступая насаждениям сосны обыкновенной, которая является безусловным лидером по занимаемой площади на отвалах Кузбасса.

В связи с этим возникает необходимость более детального изучения условий произрастания кедра сибирского на отвалах и их сопоставления с особенностями роста и продуктивности.

Целью настоящей работы является оценка влияния условий произрастания на состояние насаждений кедра сибирского на отвалах угольных месторождений.

Объекты и методика исследований. Исследуемые участки расположены на отвалах Красногорского (пробная площадь (ПП) 1), Томусинского (ПП 2) и Осинниковского (ПП 3) разрезов (рис.).

Расположение насаждений с участием кедра сибирского на отвалах Южного Кузбасса

Объектами исследования выбраны насаждения с участием кедра сибирского, достигшие II класса возраста (20 лет). Закладка пробных площадей проведена с учетом наличия не менее 200 экземпляров кедра. Поскольку кедр сибирский на отвалах Кузбасса не является повсеместно распространенной древесной породой, целесообразно приведение его показателей роста с сосной обыкновенной, которая успешно произрастает в различных экологических условиях отвалов [11]. Поэтому в качестве контроля были изучены древостои сосны обыкновенной, произрастающие в тех же почвенно-экологических условиях в пределах заложенных пробных площадей.

На каждой ПП для проведения агрохимического анализа, определения содержания мелкозема и гранулометрического состава был проведен отбор почвенных образцов [7]. Твердость субстрата эмбриоземов в слое 0-30 см установлена при помощи плотномера Горячкина в 10-кратной повторности. Для определения хода роста (линейный прирост), средней высоты и диаметра произведен таксационный анализ древостоев методом средней модели [2]. Так как сравнительный анализ продуктивности по абсолютным показателям не дает объективной оценки результатов, для этой цели должны быть использованы универсальные шкалы. Так, общее жизненное состояние (ОЖС) оценено по шкале В.А Алексеева [1], а показатели продуктивности – по шкале бонитетов, принятых для основных лесообразующих пород Северной Евразии [10].

Результаты и обсуждение. Исследуемые насаждения произрастают на отвалах, сформированных автомобильным способом. На горнотехническом этапе рекультивации участки ПП 1 и ПП 3 подвергались полной планировке поверхности. На участке ПП 2 планировка не проводилась, а мезорельеф участка представляет собой бугристую поверхность, не подвергнутую воздействию большегрузной техники. Таким образом, верхний слой горной массы выполняет роль экрана мощностью 1–2 м, нанесенного на уплотненный субстрат. В связи с этим твердость субстрата на ПП 2 вдвое меньше (рыхловатая), чем на ПП 1 (твердая), и втрое меньше, чем на ПП 3 (весьма твердая) (табл. 1).

Литологические и физико-механические свойства эмбриоземов

Таблица 1

1= с о т	Твердость субстрата, кгс/см2	Литологический состав*	Камни и гравий, %	Содержание мелкозема, %	Кол-во фракций физической глины, %
1	24,3±0,9	П Fe , П Si , Ал у , У	68,2	31,8	22,2
2	11±1,5	Ар у , Ал м	86,5	13,5	26,8
3	36,4±1,6	П Si	83,3	16,7	25,9

* П Fe – песчаник железистый; П Si – песчаник силикатный; Ал у – алевролит углистый; У – уголь; Ар у – аргиллит углистый; Ал м – алевролит мелкозернистый.

Субстрат эмбриозема на ПП 1 состоит из хаотичной смеси метаморфизированных осадочных пород с небольшими включениями частиц угля. Присутствие песчаников на железистом цементе и углистых аргиллитов, в сильной степени подверженных дезинтеграции, обеспечивает относительно высокое содержание мелкозема. Каменистость обусловлена высокой долей песчаников на силикатном цементе, слабо поддающихся физическому выветриванию. На ПП 2 аргиллиты и алевролиты хорошо выветрелые, однако доля мелкоземных фракций здесь минимальна. Вероятно, это связано с миграцией мелкоземных частиц вследствие рыхлой структуры профиля до глубоких уплотненных горизонтов. Породный состав эмбриоземов на ПП 3 представлен лишь силикатными песчаниками, которые обусловливают каменистость, низкое содержание мелкозема и высокую твердость субстрата.

Содержание физической глины в составе мелкозема во всех случаях соответствует легким суглинкам, однако значительное содержание камней и гравия придает эмбриоземам свойства более легкого гранулометрического состава.

Благоприятным для растений свойством следует считать нейтральную и слабокислую реакцию почвенного раствора, что обусловлено наличием в элювии вскрышных пород карбонатсодержащих включений (табл. 2).

Таблица 2

1= с a о ZE	рН	Содержание основных макроэлементов
		N общий, %	Обеспеченность	P 2 O 5 подв., г/кг	Обеспеченность	К 2 О обмен., г/кг	Обеспеченность
1	7,2	0,26	Низкая	22	Очень низкая	10,0	Очень низкая
2	6,8	0,16	Низкая	195	Высокая	14,4	Очень низкая
3	7,3	0,25	Низкая	10	Очень низкая	13,8	Очень низкая

Агрохимические свойства эмбриоземов

Обеспеченность растений основными элементами минерального питания низкая и очень низкая. Исключением является высокое содержание подвижного фосфора на ПП 2, которое, возможно, может быть связано с образованием ортофосфорной кислоты в ходе выветривания алевролитов и аргиллитов.

В составе исследуемых насаждений по количеству деревьев преобладает кедр сибирский, вторую позицию занимает сосна обыкновенная (контроль) (табл. 3).

Общая характеристика насаждений

Таблица 3

EZ EZ a CD О ZE	Состав древостоя	Возраст	Размеры ПП, га	Густота древостоя, в т.ч., шт/га
				Кедр	Сосна	Прочие	Всего
1	5К4С1Л+ед.Б	20	0,24	966	770	35	1771
2	6К4С+ед.Б,Ос	22	0,96	265	177	20	462
3	7К2С1Б+ед.Ос	18	0,12	1945	591	52	2588

На ПП 3, где наблюдается наибольшая густота древостоя, количество экземпляров кедра составляет 75 %, на ПП 1 – 55 %, а на ПП 2 при наименьшей густоте кедр составляет 57 %.

Поскольку средние морфометрические показатели кедра (высота, диаметр) существенно ниже, чем сосны обыкновенной (табл. 4), общее проективное покрытие кедра также значительно меньше, чем процентное соотношение количества деревьев. Это может стать фактором угнетения кедра на ПП 1, где высокая густота древостоя, но не может быть таковым на ПП 2, где древостой разреженный.

Таксационные показатели насаждений

Таблица 4

EZ EZ CD О ZE	Кедр сибирский					Сосна обыкновенная
	DC - DC ГО ^ n ^ CD О “	1 ? о 5 о It	। 1 V Ф ® О. O о I c	5 8 KO	о ^ о	DC ГО S ° S CD 2 о “	1 ? S ° 5 ^i ° о It	। 1 V ® о о. о О | c	ГО CD о KO го 5	о ^ о
1	4,1±2,3	3,2±0,4	24,5±2,4	II	I	7,5±0,2	10,8±0,2	48,4±3,7	I	I
2	4,4±2,4	5,3±0,3	29,4±2,4	II	I	8,3±0,3	14,8±0,3	46,5±2,3	I	I
3	2,3±1,3	2,3±0,8	17,5±1,3	IV	II	5,1±0,6	8,7±1,1	40,1±5,0	III	I

* за последние 15 лет.

Таксационный анализ древостоя показывает, что кедр сибирский по абсолютным показателям роста уступает сосне обыкновенной: по средней высоте – в 2 раза, по среднему диаметру – в 2,5–3 раза. По относительной оценке ход роста кедра протекает на один класс бонитета ниже, чем сосны. Подобная тенденция прослеживается на всех пробных площадях.

На ПП 1 и 2 средняя высота кедра, так же, как и сосны, с учетом 2-летней разницы в возрасте между насаждениями, различий не имеет, хотя средний линейный прирост кедра на ПП 2 несколько выше. Средний диаметр, как кедра, так и сосны, на ПП 2 существенно выше, чем на ПП 1, что обусловлено, в первую очередь, разреженностью древостоя.

Резко выделяется по показателям роста среди всех участков ПП 3. Морфометрические отличия роста кедра от сосны здесь такие же, как на ПП 1 и 2, однако ход роста кедра протекает по IV классу бонитета, сосны – по III. Общее жизненное состояние сосны, тем не менее, оценивается I категорией, как и на прочих ПП, а ОЖС кедра – снижено до II категории, и характеризуется поражением грибковыми заболеваниями, укороченным приростом, следами повреждения вредителями.

Таким образом, на ПП 3 налицо признаки угнетения древостоя кедра. Среди факторов, которыми может быть вызнано угнетение, здесь выделяются высокая твердость и уплотненность субстрата и высокая густота древостоя кедра. Твердость субстрата, сложенного каменистыми и песчаными частицами, имеет существенное экологическое значение. По данным А.Я. Орлова [9], например, при некоторой уплотненности песков, корни хвойных пород неспособны раздвинуть тесно соприкасающиеся друг с другом частицы. Это создает большие трудности в освоении субстрата отвалов корнями, снижает объем ризосферы, сокращает возможности минерального питания и, в конечном итоге, способствует угнетению и гибели деревьев. Различная плотность почвенных горизонтов сильно влияет на строение корневых систем также посредством соответствующей гидрологии почвы. Высокая густота и сомкнутость культур, особенно при резком дефиците элементов питания, также приводит к торможению хода роста и благоприятствует распространению различных заболеваний и расселению вредителей, что снижает общее жизненное состояние.

На ПП 1 эти процессы проходят более сглаженно: несколько меньшая твердость субстрата позволяет корням деревьев осваивать пространство между камнями, заполненное достаточным содержанием мелкозема, а состав древостоя, при котором деревья кедра сибирского и сосны обыкновенной, имея на данном временном этапе различные морфометрические характеристики, формируют сообщество с выраженной вертикальной и горизонтальной дифференциацией, способствующей более рациональному расходованию ресурсов. Теневыносливый кедр хорошо развивается под покровом светолюбивой сосны, которая занимает верхний ярус, получая достаточное количество солнечной радиации.

Наиболее благоприятные условия для произрастания кедра складываются на ПП 2. Определенное положительное влияние может оказывать разреженная густота древостоя, но следует иметь в виду, что в его составе более 40 % сопутствующих древесных пород, под покровом которых на начальном этапе создается необходимый кедру эффект отенения.

Несмотря на высокую каменистость и низкое содержание мелкозема, который должен обеспечивать водоудерживающую способность, рыхлое сложение субстрата, его низкая твердость также способствуют росту кедра сибирского. Очевидно, провальный водный режим нивелируется достаточным количеством осадков горно-таежной подзоны. Кедр сибирский – горная древесная порода, она и в естественных условиях хорошо растет на каменистых субстратах, в расщелинах скал, при полном отсутствии водоудерживающих частиц, получая лишь влагу атмосферных осадков и конденсационную влагу. В связи с этим почвенная архитектоника, проявляющаяся в виде отсутствия ее монолитности при высокой каменистости субстрата, имеет непосредственное значение для формирования корневой системы кедра сибирского.

Выводы

• 1.    Литологические и агрохимические свойства эмбриоземов на отвалах горно-таежной подзоны благоприятны для произрастания кедра сибирского.

• 2.    Ход роста кедра сибирского на отвалах угольных месторождений Юга Кузбасса протекает на один класс бонитета ниже, чем сосны обыкновенной.

• 3.    Оптимальными эдафическими условиями для роста кедра сибирского являются отвалы с рыхлым сложением горных элювиев, при этом содержание фракций мелкозема и физической глины имеет второстепенное значение.

• 4.    Наиболее благоприятные фитоценотические условия для произрастания кедра сибирского создаются в древостоях с умеренной густотой и наличием до 50% экземпляров древесных пород, создающих эффект отенения.

• 5.    Факторами угнетения кедра сибирского на отвалах являются высокая уплотненность субстрата и высокая густота одновидовых древостоев.