Восстановление почвенно-растительного покрова нарушенных тундровых земель

Введение. Главной причиной нарушенности почв на Енисейском Севере является деятельность промышленных предприятий. При строительстве и эксплуатации нефтегазовых продук-топроводов, 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 1 га поверхности тундры на каждые 10 км маршрута. После 5– 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 со- держания 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 грун-тосмесь 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 дегради-рованности 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 3900147105-006-97 [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 прово- дится 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 10 кг, начиная от нижней бровки склона.

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 грун-тосмесей, 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; поч-ва+торф в верхнем горизонте однороден от 60 до 75 % по содержанию глины (< 0,01 мм), что характерно для среднесуглинистых почв. Перемешивание и измельчение компонентов грун-тосмесей производили на молотковой дробилке «Молот-800». В процессе перемешивания отдельных компонентов грунтосмесей происходит уменьшение содержания физической глины, и механический состав смеси из среднесуглинистого состояния переходит в легкосуглинистое, рыхлопесчаное, торфяно-легкосуглинистое, наблюдается улучшение структуры первоначального субстрата. Такая же картина отмечается и по отношению к другим показателям: плотности и пористости. Фракционный состав и пористость увеличиваются, плотность умень- шается от 1,42 до 1,3 г/см3, что плодотворно влияет на развитие растений. Общая пористость наиболее оптимальна в вариантах торф+опилки+почва и торф+шлам+почва. Тем не менее, максимальная всхожесть (68,5 %) в первый год жизни (2016) отмечена на варианте почва-торф. К концу исследований (2020 г.) здесь 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 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.

L О CM о CM о s Q-о ZE L Л Ф s Ф co x J X X Ф £ я z о z z 0) о z X Ф h K ■=E >s Ф о Ф о о h Z >* Я m 1— о >s о m О	1— о о 1— о о г	ГО sP ^ о О > >= 2 Ж § S- о 3 х КО S О	LO	LO LO О LO	LO LO LO	LO LO О LO	LO LO CD LO	LO СО LO LO	CD LO	LO LO 1 CD LO	LO СО LO LO
		со аз □_	2 2	2 2 СО 1	2 2 Ю 1 СО	2 2 СО 1	2 2 СО 1	2 2 СО 1	2 2 Т—	2 2 LO 1 СО	2 2 СО
		ф 1— аз СО аз О 1=	6 £ го О	к аз о о г	к аз аз X ко 1________	к аз о о г	СК аз о о г	СК аз о о г	СК 6 р го- о	СК аз аз X ко 1________	СК аз о г
	о о 1— о 1=	2 о		О	CD	CD т—	7 О	CD т—	7	7 о	7 О
		СТ со	К аз X о 1=	2 ГО О 05 CL 7	аз X	К аз X	СК аз X	СК аз X	СК аз X о 1=	СК аз X	СК аз X
	со аз о о о )S О ф х аз X ф	X ZT аз е	О X Е О X Ф О	2 ф X с о о о ф 1=	о	аз X § о 1— о ф О	О X Е О ^	О О 2 11	О X Е О X СЕ Ф О	О X Е О	ьг О >5 т л Р 1 F 1 о ^ё 1 ’i ^ а 2 а с О о ф 1-щ о
		О'" ? ? “S ГО о о V ° =г 16 е ? W	LO	LO О		CD СМ 1 CD т—	CD СО CD CM	CD СО CD СМ	CD LO О	CD СО CD CM	CD СО CD СМ
	аз с о 1— X аз X аз СП		X о )S X се о X 1= Т—	5 аз + О О ф + О см	о со	аз со X о + О о ф + о	О О Ф + аз X о 1= LO	аз X о + о + о со	аз X о 1=	§ О 1— + аз X о 1= ОО	аз X о + аз + о aS

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 N 30 P 30 K 30 . 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 «Чет-ра» или Caterpillar, для усадки грунта необходимо время до весны;

весна

• 3)    поверхностная механическая обработка почвы: дискование, фрезерование, прикатывание, боронование.

Для измельчения и частичной заделки грун-тосмеси 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

• 2.    Посев многолетних злаковых трав

• 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.

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: 10 г препарата растворяется в 10 л воды, тщательно перемешивается для получения питательного раствора. Далее семена трав в тряпичных мешках замачиваются в растворе. Время выдержки в растворе – 40 мин. После семена тонким слоем высыпаются на столешницы, расположенные под углом 5º для стекания воды, и сушатся. После достижения воздушно-сухого рассыпчатого состояния их убирают в мешки [9].

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 замо- розков (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.

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, оврагообра-зования, 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 N 60 P 60 K 60 , 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.