Привет студент

КУРСОВАЯ РАБОТА

Особенности биоты исскуственных лесных экосистем на промышленных отвалах Кумертауского буроугольного разреза

(Республика Башкортостан)

Аннотация

Курсовая работа состоит из 25 страниц, включает 4 таблицы, 14 источников литературы.

В данной работе изложено описание Кумертауского буроугольного разреза, а также изложены методы исследования объекта. Дана оценка относительного жизненного состояния насаждений березы бородавчатой, лиственницы Сукачева, сосны обыкновенной, произрастающих на отвалах Кумертауского буроугольного разреза. Приведен анализ содержания некоторых техногенных элементов в различных органах древесных растений, а также в образцах почвогрунтов, собранных на отвалах.

Курсовая работа содержит объективную информацию о проблеме загрязнения окружающей среды и лесной рекультивации промышленных отвалов и характеризует основные методические подходы к решению подобных вопросов.

Содержание

Введение

1 Район, объекты и методы исследований

2 Особенности среды на отвалах Кумертауского буроугольного разреза

3 Почвенный покров отвалов и прилегающих территорий

3. 1 Содержание техногенных элементов в почвогрунтах отвалов Кумертауского буроугольного разреза

4 Анализ состояния древесной растительности

4. 1 Сравнительный эколого-биологическая характеристика древесных пород при лесной рекультивации и оптимизации промышленных отвалов

Заключени

Список использованных источников

Введение

Загрязнение окружающей природной среды происходит на протяжении многих лет. Токсичные компоненты попадают в окружающую среду различными путями, например, в виде газо- и пылевидных частиц с промышленными выбросами в атмосферу, либо сбрасываются со сточными водами в водоемы (Молчанов, 1968; Кулагин, 1958; Кист, 1987; и другие). [1]

В вопросах охраны окружающей среды особое место занимает проблема отвалов вскрышных пород предприятий горно-добывающей промышленности (Моторина, 1974; Колесников и другие, 1976; Лукьянец, 1979; Баталов и другие, 1989; и другие).

Отвалы Кумертауского буроугольного разреза Башкирское Предуралье) формировались с середины XX века и представляют собой насыпи вскрышных пород высотой до 50-70 м. Природно-климатические условия региона обуславливают выраженную водно-ветровую эрозию отвалов. В 1980-е годы на отвалах были созданы насаждения березы бородавчатой, лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной. [2], [3]

1 Район, объекты и методы исследований

Район исследований расположен в Предуралье. Естественная растительность, формирующаяся на промышленных отвалах, а также участки, на которых проводилась лесная рекультивация, оценивались с точки зрения формирования растительного покрова. Выбор участков, закладка и описание пробных площадей проводились с учетом известных и общепринятых методических подходов (Сукачев, 1966; Алексеев и другие, 1990). Особое внимание уделялось положению отдельных участков в рельефе. [2]

В насаждениях на отвалах Кумертауского буроугольного разреза проводилась работа по оценке относительного жизненного состояния (ОЖС) древостоев. За основу была взята методика В. А. Алексеева (1990), с некоторыми изменениями применительно к лиственным древесным породам. ОЖС насаждений определялось по следующей шкале: здоровое насаждение, ослабленное, сильно ослабленное и полностью разрушенное. Для определения ОЖС деревьев использовалась таблица 1.

Таблица 1 - Вспомогательная таблица для определения категорий относительного жизненного состояния деревьев

При значении ОЖС (суммарное повреждение) от 100 до 80 % древостой оценивается как «здоровый», при 79-50 % - «ослабленный», при 49-20 % - «сильно ослабленный», при 19 % и ниже - «полностью разрушенный». [4], [3]

Для исследования были взяты 5 посадок (линий) лесных насаждений:

1 линия - посадка сосны обыкновенной и лиственницы Сукачева

2 линия - посадка березы бородавчатой

3 линия - посадка сосны обыкновенной

4 линия - посадка сосны обыкновенной

5 линия - посадка лиственницы Сукачева

Выделяют несколько моментов, которые учитываются при планировании лесо-культурных работ на отвалах горнодобывающей промышленности.

Это, во-первых, учет зонально-географических особенностей месторасположений того или иного отвала, позволяющий при соответствующем максимальном использовании условий произрастания, сложившихся на отвале, запланировать возможно минимальные подготовительные работы и уменьшить искусственно рекультивируемые площади.

Во-вторых, изучение физико-химических свойств грунтов для планирования горно-технического этапа работ по рекультивации, побора пород, применяемых при облесении, и выбора методов создания культур.

В-третьих, ориентация в лесокультурных работах на местные виды деревьев и кустарников, выбор которых облегчается за счет изучения процесса естественного возобновления на отвалах - применение видов, не возобновляющихся на отвалах и интродуцированных, возможно для наиболее широкого охвата лесорастительных условий на отвале.

Наконец, в-четвертых, максимальное сочетание лесокультурных работ с мерами содействия естественному возобновлению деревьев и кустарников на отвалах значительно облегчает и ускоряет возвращение этих земель во вторичное хозяйственное использование. [4], [5]

2 Особенности среды на отвалах Кумертауского буроугольного разреза

Район исследований расположен в пределах административных границ Республики Башкортостан, на границе Европы и Азии, между 51031’ и 56025’ северной широты и 53010’ и 60000’ восточной долготы, занимая площадь 143, 6 км² (Хисматов, 1987). Протяженность с севера на юг составляет 550 км, с запада на восток - 450 км.

Южные отроги Уральских гор занимают более У территории республики, около 2/3 приходится на Предуралье (юго-восточная окраина Восточно-Европейской равнины), и менее 1/10 - на Зауралье (Хисматов, 1979). Перепад высот от58, 7 м над уровнем моря в устье р. Белой до 1640 м над уровнем моря - г. Ямантау. Высотная дифференциация такова: доля территории с абсолютными отметками до 500 м н. у. м. составляет 81, 1; от 500 до 1000 м - 18, 6; выше 1000 м - 0, 3 % от площади всей республики.

Климат умеренно-теплый, континентальный. Резко выделяются холодный и теплый периоды года; осень и весна относительно скоротечны. Ярким показателем континентальности служит средняя и абсолютная амплитуда температуры воздуха, которая на Южном Урале достигает 86-88 градусов. По степени континентальности Башкортостан занимает одно из первых мест в Европейской части России. Воздушные массы Атлантики оказывают значительное влияние на климат республики, особенно в теплое время года; зимой возрастает значение азиатского антициклона. Суммарный объем осадков на территории РБ составляет в среднем в год 90, 5 км³, причем 72 % идет на испарение. [2]

В западном (равнинном) Башкортостане представлены крупные почвенные группы: подзолистая, серая и черноземная. По механическому составу (соотношение физической глины и физического песка) выделяют следующие основные разновидности почв: песчаная, супесчаная, суглинистая, глинистая, доля физической глины (<0, 01 мм) возрастает от 0 до 85 %, а доля физического песка (>0, 01 мм) соответственно падает. Весной глинистые почвы холоднее песчаных, а осенью - наоборот (Богомолов, 1954; Шульгин, 1967; Бурангулова и другие, 1969; Бурангулова, Мукатанов, 1975; Мукатанов, 1986, 1999). [3], [6]

Рельеф равнинный полого возвышенно - холмистый на юге и востоке. Имеются небольшие островные леса. Сельскохозяйственные угодья занимают 190, 8 тыс. га, (80, 5 % территории района), в том числе: пашни -124, 7 тыс. га, пастбища - 57, 9 тыс. га, сенокосы - 8, 3 тыс. га (Баталов и другие, 1989; Агроклиматические ресурсы..., 1976; Общегеографическая карта., 2003; Экономическая энциклопедия., 2004). [7]

3 Почвенный покров отвалов и прилегающих территорий

Отвалы Кумертауского буроугольного разреза (КБР) (г. Кумертау), которые относятся к району Стерлитамакского промышленного узла (52°45’ северной широты и 55°51’ восточной долготы), характеризуются большой неоднородностью состава отсыпных пород. Коренные породы представлены пермскими и третичными глинами, конгломератами, песчаниками, известняками, древнеаллювиальными песками и галечником и выщелоченные черноземы. В связи с многообразием состава коренные породы различны и по реакции среды: кислые, слабокислые, щелочные (карбонатные). Техногенные почвогрунты и молодые почвы Кумертауских отвалов бедны азотом, подвижным фосфором и характеризуются сравнительно высоким количеством поглощенных оснований. [4]

На отвалах Кумертауского буроугольного разреза железнодорожной отсыпки следует выделить следующие формы рельефа:

1) выровненные платообразные отвалы;

2) платообразные отвалы с элементами депрессии, выходами грунтовых вод и накоплением атмосферных осадков с образованием небольших озер;

3) инсолируемые откосы отвала;

4) теневые откосы отвала;

5) террасы инсолируемые;

6) террасы теневые;

7) оползневые поля;

8) волнообразные поля выпирания.

Если первые шесть элементов можно считать стабилизировавшимися и пригодными для лесной рекультивации территориями, то последние две формы рельефа испытывают значительные передвижки больших масс грунта и рекультивация их будет возможна после длительной стабилизации в течение ряда лет. [8]

По выраженности морфологического профиля и отношению углерода к азоту (C: N) на отвалах Кумертауского буроугольного разреза к 25 годам после окончания отсыпки выделяются три группы почвогрунтов: 1 -почвогрунты с невыраженным морфологическим профилем и единичными растениями (донник, мать-и-мачеха, тысячелистник). Отношение углерода к азоту (С: N) в них самое широкое, что не характерно для обычного почвообразовательного процесса. Высокое содержание углерода, по-видимому, связано с наличием в этих почвогрунтах бурого угля. Поэтому этот углерод нельзя рассматривать как продукт почвенных микроорганизмов, то есть в качестве углерода обычного гумуса; 2 - молодые техногенные почвы, приуроченные к участкам сомкнутой бобово-злаково-разнотравной растительности. Они выделяются наличием морфологически выраженного (2 - 7 см) дернового гумусового горизонта. Такие молодые почвы на отвале формируются на грунтах с повышенным содержанием карбонатов. Отношение углерода к азоту остается также еще довольно значительным; 3 -почвогрунты, формирующиеся в местообитаниях, заросших ивняком естественного происхождения. Соотношение углерода к азоту в них низкое, что свидетельствует о достаточно высокой интенсивности почвообразовательного процесса. Определенное влияние на характер почвообразования оказывают и более благоприятные гидрологические условия, поскольку заросли ив приурочены к местообитаниям с хорошим увлажнением грунта. Перегнойно-аккумулятивный горизонт еще не выражен из-за высокой степени минерализации растительного опада.

Добыча полезных ископаемых открытым способом приводит к формированию новых техногенных ландшафтов (Тарчевский, 1963). При этом происходят локальные изменения естественных ландшафтов, необратимые нарушения в гидрологическом режиме грунтовых вод, полностью разрушается естественная растительность, как на месте формирования карьеров, так и на площадях, отведенных под складирование вскрышных пород (Моторина, 1974; Лукъянец, 1980 и другие).

В результате масштабных перемещений вскрышных пород при разработке месторождения бурого угля практически полностью разрушен природный флороценотический комплекс и сформировался техногенный ландшафт. [6], [8], [9]

С первого года формирования отвалов получили развитие интенсивные процессы ветровой и водной эрозии, вследствие которых отмечается высокий уровень вторичного загрязнения прилегающих территорий (Баталов и другие, 1989). Отличительной особенностью отвалов буроугольного месторождения является подвижность грунтов, их «расплывание» на протяжении длительного периода (около 30 лет). В этих экстремальных условиях естественное возобновление растительности затруднено - на отсыпанных отвалах в первые 5-10 лет проективное покрытие поверхности растительностью не превышает 50 %.

Мозаичность рельефа определяет и мозаичность растительности на отвалах. Видовой спектр близок к флористическому составу степной растительности, произрастающей на прилегающих ненарушенных ландшафтах, кроме этого наблюдается значительное участие сорно-полевых видов. Проведенные исследования позволяют отметить значительный вклад древесный растений в процессы естественного возобновления растительного покрова на отвалах. При этом пионерные группировки древесной растительности слагаются из анемохорных видов (Betula pendula Roth, Populus tremula L., P. nigra L., P. alba L., P. balsamifera L., Salix alba L., S. dasyclados Wimm., S. vminalis L., S. triandra L., S. caprea L., S. cinerea L., Acer platonoides L. и другие). При этом массовое поселение и наиболее успешный рост и развитие деревьев и кустарников приурочено к невыровненным участкам, депрессиям рельефа и подошвам склонов северной экспозиции. На отвалах 30-летней отсыпки наблюдается формирование флюроценотических комплексов с участием древесных и травянистых видов растений, что свидетельствует о потенциальной пригодности вскрышных пород к созданию ландшафтных комплексов. [5]

3. 1 Содержание техногенных элементов в почвогрунтах отвалов Кумертауского буроугольного разреза

Соотношение отдельных элементов и их суммы в почвогрунтах отвалов под различной растительностью показывает особенности распределения этих элементов. Были проведены исследования по сравнению элементного состава почв под насаждениями древесных растений и грунта на степном необлесенном участке. В таблице 3 представлены данные, характеризующие содержание как отдельных элементов, так и их суммы в почвогрунтах промышленных отвалов.

Содержание таких элементов, как фосфор, марганец, никель, стронций и кадмий в грунтах отвальных пород (табл. 3) в несколько раз превосходит аналогичный показатель для почвенного покрова, формирующегося под насаждениями древесных растений. Это обстоятельство свидетельствует о том, что эти элементы способны накапливаться растениями. Возможно, именно избыточное накопление вышеуказанных элементов приводит к ослаблению растений, вследствие чего происходит поражение ассимиляционного аппарата и нарушается метаболизм растений в целом.

Данные, представленные в таблице 3, свидетельствуют о том, что достаточно высокотоксичные элементы содержатся в почвах под насаждениями в гораздо больших количествах, нежели в грунте на степном участке. Это может быть связано со следующими причинами: во-первых, проникновение высокотоксичных соединений, в состав которых входят хром, молибден, кобальт, свинец и мышьяк, в значительной степени ограничивается самими растениями; во-вторых, возможно проявление эффекта вторичного загрязнения, т. е. увеличение количества элементов в почве за счет попадания их в растительный субстрат с опадом (листьев, хвои и побегов), в котором концентрируются эти элементы, и, в-третьих, возможно частичное вымывание или выветривание частиц, содержащих вышеуказанные элементы с открытых степных необлесенных участков. [10]

Медь, цинк и серебро концентрируются в почвах под лиственницей Сукачева (таблица 3). При этом отмечается полное отсутствие данных элементов в почвах под насаждениями других древесных пород. Среди трех элементов лишь цинк обнаруживается в грунте степного участка и его содержание значительно меньше аналогичного показателя для почв под насаждениями лиственницы. [11]

Оценивая суммарное содержание элементов в почвогрунтах (таблица

3) следует отметить, что в образцах грунта степного участка общее содержание элементов более, чем в 2, 5 раза выше по сравнению с образцами почв, отобранных из под насаждений древесных растений. Г рунты отвальных пород содержат значительно большее суммарное количество элементов (более 5000 ppm) по сравнению с почвами под насаждениями древесных растений (до 2000 ppm). Это обстоятельство позволяет утверждать, что древесные растения способствуют оздоровлению техногенных ландшафтов путем ограничения миграции в экосистеме токсичных компонентов.

Таблица 3 - Суммарное содержание техногенных элементов (средние значения) в почвах и растениях на промышленных отвалах Кумертауского буроугольного разреза

Как следует из таблицы 4, содержание техногенных элементов в растениях превосходит аналогичный показатель для почвогрунтов. Этот факт позволяет высказать предположение о том, что древесные растения, произрастающие в условиях высоких концентраций сильно токсичных компонентов среды не способны в полной мере противостоять массивному поступлению загрязнителей внутрь растения. В целом наибольшей аккумулирующей способностью отличаются растения березы бородавчатой. В тоже время доля цинка, стронция и свинца в лиственнице Сукачева выше, чем в сосне обыкновенной и березе бородавчатой (таблица 2). Однако, по суммарному содержанию элементов (таблица 4) лиственница Сукачева стоит на «третьем месте», а в растениях березы бородавчатой отмечается наибольшее накопление элементов. Сосна обыкновенная занимает промежуточное положение между двумя вышеупомянутыми видами древесных растений, а отношение суммы элементов в растении к сумме элементов в почве под насаждениями равняется 7. [11], [1]

4 Анализ состояния древесной растительности

В настоящей главе показаны особенности развития растений березы бородавчатой, лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной, произрастающих на отвалах Кумертауского буроугольного разреза, а также использующихся для создания полезащитных лесных полос. При проведении настоящих исследований в качестве контроля нами приняты растения полезащитных лесных полос, а опытными растениями считаются экземпляры, развивающиеся на промышленных отвалах. Необходимо также отметить, что особенности развития 1 - 5 летних древесных растений мы приводим только для культур березы и сосны, произрастающих на отвалах, поскольку высокие баллы плодоношения и слабое развитие живого напочвенного покрова способствует естественному возобновлению именно данных древесных пород. Для лиственницы Сукачева показатели плодоношения на отвалах очень низкие, а под пологом полезащитных лесных полос отмечается высокое обилие травяного яруса, конкуренцию с которым всходы древесных растений не выдерживают, в результате чего погибают. [11], [4]

Береза бородавчатая (Betula pendula Roth).

Основной особенностью развития однолетних растений березы, развивающихся на отвалах Кумертауского буроугольного разреза, является их интенсивный рост. Увеличение биомассы растения осуществляется за счет роста всех органов растения. Наибольшую долю в общей массе растений занимают листья: в июне около 50 %, в июле - около 35 % и в августе - 55 %. Корневые системы однолетних растений в общей массе весят меньше и их доля не превышает 15 %. Оставшаяся часть биомассы приходится на стебель.

В осеннее весенний период растения увеличивают свою биомассу в 2 раза. Затем отмечается достаточно интенсивный рост биомассы растения. Необходимо отметить, что биомасса корневых систем в конце сезона у 1 -летних растений и в течение всего сезона у 2-х летних растений не изменяется. Таким образом, рост массы растения осуществляется преимущественно благодаря развитию ассимиляционных органов. Особенно четко эта закономерность проявляется в августе, когда доля листьев в общей массе растения составляет около 70 %.

В межсезонье 2-х летние растения не увеличивают своей массы, и к началу вегетации 3-го года их масса составляет 1, 2 г. Главной особенностью в этот период является то, что биомасса корневой системы в первой половине лета резко увеличивается и превосходит по своим показателям биомассу листьев. Но в августе отмечается резкое увеличение биомассы листьев и некоторое снижение значения массы корневой системы растений березы бородавчатой.

Характеризуя развитие 4-х летних растений березы, следует указать на планомерное развитие отдельных частей организма и растения в целом. Основную часть биомассы растений в течение всей вегетации составляют листья - более 50 %. Корневые системы растений, развиваясь в течение вегетации, составляют от 20 % до 30 % общей массы растения. Массовая доля стебля с боковыми побегами изменяется в тех же пределах, что и корней.

Биомасса 5-летних растений березы в течение вегетации достигает 9, 5 г. Установлено, что масса и, соответственно, доля корневой системы растений увеличивается большими темпами по сравнению с массой ассимиляционных органов и стебля с боковыми побегами. При этом в первой половине лета интенсивность роста растений была выше по сравнению со второй. [5], [12]

При развитии растений на отвалах Кумертауского буроугольного разреза установлено отсутствие роста листьев березы в течение периода летней вегетации. Показано, что достоверных различий между значениями площади листьев в июне, июле и августе месяцах отсутствуют, а к концу вегетации наблюдается незначительное усыхание листьев. Необходимо отметить, что, несмотря на отсутствие роста листьев в течение вегетации их площадь была достаточно большой и достигала размеров 1700 кв. мм.

В условиях контроля отмечается незначительный рост ассимиляционных органов в течение периода летней вегетации. Так, нами зафиксированы увеличения площади листовой пластинки с 1580 до 1800 кв. мм. Показано, что размеры листьев контрольных и опытных растений достоверно не различаются, но особенности их роста указывают на значительные различия лесорастительных условий. [3], [2]

Развитие растений березы бородавчатой на отвалах Кумертауского буроугольного разреза наблюдается постоянное увеличение значений приростов стволовой древесины. Значение размеров коры составляет 4, 5 мм, что соответствует минимуму среди всех исследуемых кернов. Так, после формирования культур березы в первые 5 лет жизни величина приростов не превышала 0, 5 мм. Затем в период с 1958 по 1994 гг. показатели возросли в 2 раза и составили порядка 1 мм. В дальнейшем развитие растений интенсифицируются, что отражается на увеличении величины годичных приростов до 1, 3 мм в период 1995 - 1999 гг. и до 1, 8 мм в настоящее время. Сердцевинная гниль стволов березы бородавчатой не обнаруживается, что свидетельствует об удовлетворительном состоянии отдельных деревьев и способности их произрастать на отвалах. Анализируя особенности приростов стволовой древесины растений березы, развивающихся в условиях контроля в первую очередь необходимо отметить, что толщина их коры аналогична показателю для экспериментальных образцов. Основным отличием, характеризующим особенности накопления биомассы за счет стволовой древесины у контрольных растений, является относительное постоянство показателей приростов при достаточно высоком ежегодном уровне. [4]

Лиственница Сукачева (Larix sukaczewii Dyl. ).

При произрастании на отвалах Кумертауского буроугольного разреза отмечается незначительный рост хвои лиственницы в течение вегетационного сезона. При этом разница между показателями длины хвои в начале вегетации и в конце вегетации составила 10 мм (июнь 12 мм - август 22 мм). Рост хвои характеризует условия обитания растений - старые отвалы горных пород, находящиеся в стадии активного самозарастания после лесной рекультивации. В контрольных условиях, напротив, рост хвои лиственницы характеризуется как интенсивный и к концу летней вегетации ее размеры достигают 25 мм, что в среднем на 10 % больше, чем для растений, развивающихся на отвалах. [11]

Совершенно иная ситуация характерна для условий старых отвалов в городе Кумертау. Здесь отмечается достаточно бурный рост побегов первых трех лет жизни. При этом, побеги 3- и 2-го года характеризуются наибольшей скоростью роста, в то время как побеги 1 -го года в течение вегетации лишь незначительно увеличиваются в размерах.

Среди исследованных побегов контрольных растений лиственницы наименее интенсивным ростом характеризуются 1 -летние побеги -увеличение их размера за летнюю вегетацию не превышает 5 %. Несколько интенсивнее происходит рост 2-летних побегов, при развитии которых нами отмечается 1, 5-кратное увеличение их длины. Среди исследованных побегов наиболее интенсивным ростом характеризуются 3-летние, длина которых изменяется от 24 до 37 мм в период с июня по август. [4], [11]

Культуры лиственницы Сукачева на отвалах Кумертауского буроугольного разреза были созданы сотрудниками лаборатории лесоведения в 1982-1985 гг. На протяжении 20 лет эти древостои успешно развиваются и на современном этапе представляют собой сомкнутые насаждения в смеси с сосной обыкновенной и березой бородавчатой. Анализируя ход развития этих древостоев за двадцатилетний период, нами были проведены работы по определению приростов стволовой древесины. В первые пять лет жизни величина приростов составляла 1, 6 мм, затем этот показатель увеличивается до 2, 7 мм (1990-1994 гг. ) и в последующем снижается до 1, 2 мм (1995 - 2005 гг. ). Толщина коры составляет 4, 7 мм. Этот факт может быть объяснен отсутствием у растений необходимости противостоять проникновению токсикантов из атмосферы, поскольку все токсичные вещества содержатся в растительном субстрате - отвальных грунтах. Отмечается, что сердцевинной гнили стволов лиственницы Сукачева, произрастающих на отвалах Кумертауского буроугольного разреза не обнаружено. Для растений, развивающихся в культурах отмечается устойчивый рост (около 2 мм в год) на протяжении последних 15 лет с увеличением показателей приростов в отдельные годы до 2, 7 мм. При этом толщина коры у растений не превышает 4 мм, а сердцевинная гниль не обнаружена. [3], [5]

Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L. ).

Установлено, что общий вес однолетних растений сосны в начале вегетационного периода составляет 0, 07 г, при этом 0, 033 г (т. е. почти 50 %) приходится на хвою, 0, 012 г весит корневая система и 0, 025 г весит стволик растения. В июле общая масса растения увеличивается на 0, 01 г, что обусловлено ростом хвои и стволика. Отмечается некоторое снижение биомассы корневой системы, в первую очередь за счет засухи. К концу вегетации отмечается незначительное увеличение общей массы растений, при этом резко увеличивается биомасса хвои и корневой системы, а масса стволика остается на прежнем уровне.

К особенностям развития 2-летних растений сосны следует отнести резкое увеличение общей биомассы растений в конце вегетационного периода. В июне более 65 % от общей массы растений приходилось на ствол с боковыми побегами, 25 % - на хвою, около 7 % - на корневую систему. В середине вегетации происходит увеличение биомассы и, соответственно, доли хвои (около 40%) и корневой системы (около 10 %) в общей массе растения. Но 50 % массы растения составляют ствол и боковые побеги. К концу вегетации доля корневой системы в общей массе растения не изменяется, но отмечается резкий рост биомассы хвои (ее доля в общей массе увеличивается до 60 %), при этом доля стволика снижается до 30 %. [12]

В течение вегетационного сезона 4-х летние растения сосны увеличивают свою массу в 2 раза. В основном увеличению биомассы растений способствует быстрый рост надземной части - хвои и стволика с боковыми побегами. Развитие корневой системы характеризуется как незначительное, несмотря на то, что в течение вегетации ее биомасса также увеличивается в 2 раза.

Установлено, что рост 5-летних растений сосны характеризуется меньшей интенсивностью по сравнению с 4-х летними. К концу вегетации общая масса растений составляет 4 г, масса хвои и стволика с побегами - по 1, 8 г, корневой системы - 0, 4 г. Следует отметить, что наибольшей интенсивностью характеризуется развитие корневой системы растений, биомасса которой в течение вегетации возрастает в 4 раза.

Длина 1 -летней хвои сосны увеличивается в 4, 5 раза в течение вегетации при произрастании на отвалах Кумертауского буроугольного разреза. На фоне стремительного роста 1-летней хвои необходимо отметить, что достоверных различий между размерами 2-х летней хвои в различные месяцы вегетационного периода не обнаружено. Такая же ситуация характерна для 3-х летней хвои сосны обыкновенной. По данным полевых исследований установлено, что тенденции роста хвои сосны на контрольных участках достоверно не отличается от аналогичных показателей для отвалов. При этом линейные размеры хвои опытных растений в среднем на 10 - 15 % ниже, чем контрольных.

Установлено, что для 2- и 3-х летних побегов сосны обыкновенной характерным является лишь незначительный рост в первой половине вегетационного периода, затем к концу вегетации роста побегов не обнаружено. При этом однолетние побеги растут в течение всего сезона достаточно хорошими темпами, увеличиваясь в размерах более чем в 1, 6 раза за летний период.

Рост 1 -летних побегов растений сосны обыкновенной, произрастающих в условиях контроля оценивается нами как интенсивный, поскольку увеличение линейных размеров за сезон составляет более 40 %. При этом рост 2-х летних побегов происходит менее интенсивно и величина прироста за сезон составляет не более 30 %. 3-х летние побеги прекращают свой рост уже к середине вегетации, а их увеличение за сезон не превышает 10 %. [12], [5]

Развитие растений сосны обыкновенной на отвалах Кумертауского буроугольного разреза характеризуется как удовлетворительное. Однако это утверждение, высказанное на основании визуальных наблюдений, не является верным. Серьезные коррективы вносят результаты исследований приростов стволовой древесины, основными из которых следует выделить невероятно сильно развитую сердцевинную гниль стволов растений, которая занимает более 2/3 объема ствола. В связи с этим мы приводим данные приростов стволовой древесины лишь за последние пять лет. Показано, что достоверных отличий между показателями 2000, 2001, 2002 и 2003 гг. нет. При этом в 2004 году наблюдается некоторое увеличение показателей приростов стволовой древесины относительно предыдущих лет - до 2, 6 мм. В 2005 году показатели приростов несколько снижаются относительно прошлого сезона, при этом в целом достоверных различий нами не установлено. Толщина коры растений сосны обыкновенной варьирует, при этом среднее значение данного показателя равняется 4 мм. [3]

Динамика приростов стволовой древесины у растений сосны, произрастающих в условиях контроля, характеризуется постоянством на протяжении многих лет, что свидетельствует о стабильном состоянии древостоя в целом. Годовой прирост стволовой древесины в среднем за последние 15 лет составляет 2, 5 мм в год, при толщине коры 4, 5 мм и отсутствии сердцевинной гнили у всех исследованных деревьев.

Относительное жизненное состояние (ОЖС) насаждений березы бородавчатой, лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной, произрастающих в пределах промышленных отвалов Кумертауского буроугольного разреза характеризуется как «ослабленное». Однако причины, по которым насаждения вышеуказанных пород были отнесены к категории «ослабленных» в значительной степени различаются. При этом, насаждения тех же видов древесных растений, произрастающих в культурах, и определенных нами как контрольные отнесены по совокупности параметров к категории «здоровых». Ниже представлены более подробные характеристики насаждений. [4]

Береза бородавчатая (Betula pendula Roth. )

Среди исследуемых пород ОЖС насаждений березы бородавчатой наибольшее - 76 %, таким образом, эти насаждения приближаются по своему состоянию к «здоровым». При достаточно высокой густоте кроны (до 80 %) и небольшому количеству мертвых сучьев (до 20 %) отмечаются повреждения листового аппарата растений. Повреждения листьев отмечаются в форме появления хлорозных и некрозных пятен, усыхании отдельных листьев или их скручивании. Следует отметить, что на листьях нередко обнаруживаются энтомоповреждения. [4]

Анализируя состояние березы, произрастающей в условиях относительного контроля, нами установлено, что данные насаждения могут быть отнесены к категории «здоровых», поскольку показатель их ОЖС составляет 88 %. На стволах обнаруживается не более 10 % мертвых сучьев, густота кроны в среднем - 80 %, при этом на листьях массовые повреждения не обнаруживаются. Единичные листья подвержены повреждениям со стороны листогрызущих насекомых, либо отмечаются незначительные (не более 10 %) краевые хлорозы ассимиляционных органов, что и повлияло в конечном счете на общую оценку ОЖС. Плодоношение деревьев оценивается в 2 - 3 балла, однако хорошо развитая травянистая растительность под пологом лесных культур не дает возможности для успешного естественного возобновления березы под пологом собственных насаждений.

Возобновление растений березы бородавчатой на отвалах Кумертауского буроугольного разреза идет крайне неудовлетворительно. В первую очередь это связано со слабым плодоношением, величина которого составляет 1 - 2 балла. При проведении работ по учету возобновления нами отмечено до 20 шт. /га молодых растений березы, относящихся к мелкому подросту. Необходимо отметить, что половина обнаруженных в подросте растений семенного происхождения. Крупного подроста березы бородавчатой на отвалах Кумертауского буроугольного разреза не обнаружено. [12], [5]

Лиственница Сукачева (Larix sukaczewii Dyl. ).

ОЖС насаждений лиственницы Сукачева составило 55 %. При этом отмечалось очень сильное повреждение ассимиляционного аппарата деревьев

- значительная часть хвои опадает (т. е. наблюдается преждевременный опад), а та часть хвои, которая остается, покрыта большими хлорозными и некрозными пятнами. Понятно, что густота кроны при сильнейшем поражении хвои невысокая и колеблется около 50 %. Однако мертвых сучьев на стволах деревьев не большое количество (до 15 %), что говорит о хорошей очищаемости стволов.

ОЖС лиственницы, развивающейся в культурах, в условиях относительного контроля, составляет 83 %, таким образом, данные насаждения могут быть отнесены к категории «здоровых». Очищаемость стволов от мертвых сучьев несколько больше, чем у березы, и составляет в среднем для насаждения не более 5 %. При этом показатели густоты кроны и степени пораженности хвои, являющиеся одними из определяющих при оценке состояния насаждения, в целом уступают аналогичным параметрам для березняков и составляют - 70 % и 15 % соответственно. Массовые повреждения хвои не обнаруживаются. Основными формами повреждения хвои являются краевые хлорозы ассимиляционных органов, площадь которых не превышает 20 % площади хвои. Плодоношение лиственничников оценивается в 1 - 2 балла, но как и в случае с березняками хорошо развитая травянистая растительность под пологом лесных культур не дает возможности для успешного естественного возобновления лиственницы под пологом собственных насаждений. [11], [4]

Характеризуя естественное возобновление лиственницы Сукачева, при произрастании на отвалах Кумертауского буроугольного разреза отмечается, что среди мелкого подроста прочих древесных и кустарниковых растений ни на территории лесопосадок, ни на открытых участках растений основной породы нами не обнаружено. В незначительных количествах обнаруживаются растения лиственницы Сукачева, относящиеся к категории крупного подроста - около 7 шт. /га. Местопроизрастания и внешний вид растений указывает на то, что растения, отнесенные нами к категории крупного подроста, являются организмами, развитие которых задерживается вследствие токсичности растительного субстрата и неспособности противостоять техногенному воздействию. [3]

Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L. ).

Насаждения сосны обыкновенной, как и предыдущих пород, были отнесены к категории «ослабленных» - ОЖС составило 67 %. Оценивая основные параметры насаждения, было установлено, что густота кроны деревьев составляет в среднем 70 %, а повреждения хвои незначительны - до 20 % (преобладающим повреждением является наличие хлорозных пятен). Следует отметить, что в насаждении имеются суховершинные деревья, а также деревья, на стволах которых есть морозобойные трещины. Количество мертвых сучьев на стволах достаточно высокое - до 40 %.

Оценивая ОЖС насаждений сосны в культурах, в условиях контроля, установлено, что данный показатель составляет 86 %, поэтому сосняки также относятся к категории «здоровых». Характеризуя отдельные признаки, из которых складывается общий показатель ОЖС, необходимо отметить на достаточно низкую очищаемость стволов от мертвых сучьев, что и явилось определяющим фактором при оценке ОЖС. Так, очищаемость стволов от мертвых сучьев составила 20 %. При этом показатели густоты кроны и степени пораженности хвои, являющиеся также определяющими, превосходят аналогичные параметры для березняков и лиственничников и составляют - 90 % и 0 - 5 % соответственно. Плодоношение сосновых насаждений оценивается в 2 - 3 балла, но благодаря развитию живого напочвенного покрова под пологом лесных культур естественного возобновления сосны под пологом собственных насаждений не отмечается. [4], [5]

Плодоношение исследованных растений сосны характеризуется как слабое, на уровне 2 баллов. Процесс естественного возобновления сосны идет довольно успешно с учетом возраста насаждений (29 лет) и особенностей плодоношения. Так на отвалах Кумертауского буроугольног разреза отмечается до 200 шт. /га мелкого подроста и 100 шт. /га крупного подроста, при этом все растения семенного происхождения. [9]

4. 1 Сравнительная эколого-биологическая характеристика древесных пород при лесной рекультивации и оптимизации промышленных отвалов

Охарактеризовано состояние древесных насаждений, произрастающих на отвалах Кумертауского буроугольного разреза: проведена оценка относительного жизненного состояния (ОЖС) этих насаждений, анализ содержания ряда техногенных элементов в различных органах березы бородавчатой, лиственницы Сухачева и сосны обыкновенной, а также содержание этих элементов в почвогрунтах. Установлено, что ОЖС насаждений березы бородавчатой, лиственницы Сухачева и сосны обыкновенной характеризуется как «ослабленное». [4]

Древесные растения, произрастающие на промышленных отвалах, поглощают часть техногенных элементов, содержащихся в отвальных породах. Однако различные виды древесных растений обладают неодинаковой аккумулирующей способностью, так что распределение элементов в органах и тканях растений может в значительной степени различаться. В таблице 2 показано, какую долю составляет каждый из четырнадцати определенных элементов в растениях березы бородавчатой (Betula pendula Roth), лиственницы Сукачева ( Larix sukaczewii Dyl. ) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L. ). [2]

Данные, представленные в таблице 2, показывают, что в растениях березы бородавчатой содержится наибольшее количество элементов. В органах сосны обыкновенной содержание элементов несколько меньше, чем в органах березы. По сравнению с растениями березы и сосны суммарное накопление элементов в различных органах лиственницы Сухачева наименьшее и не превышает 10000 ppm.

Таблица 4 - Доля (%) некоторых элементов (от суммарного среднего содержания элементов в целом растении) в растениях березы бородавчатой (Betula pendula Roth), лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii Dyl. ) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L. ). [1], [10]

Анализ фактического материала показывает, что доля различных элементов в растениях выглядит следующим образом: фосфора - 80, 8 % в березе бородавчатой, 71, 8 % - в сосне обыкновенной и 49, 3 % - в органах лиственницы Сукачева; марганца -38, 8 % в лиственнице Сухачева, 23, 6 %- в сосне обыкноквенной и 7, 8 %- в березе бородавчатой. Показано, что общее содержание таких элементов, как кобальт, никель, кадмий, молибден, свинец, ртуть, серебро и мышьяк не превышает 1 %. Следует отметить, что в органах лиственницы Сукачева меди не обнаружено, а в органах сосны обыкновенной отсутствует никель, медь и цинк. Медь аккумулируется лишь в тканях березы бородавчатой и ее содержание в общем количестве определенных элементов составляет 1, 7 %. Содержание цинка отмечается в растениях лиственницы Сукачева - до 6 % и березы бородавчатой - до 2, 9 % от общего количества определенных элементов. Количество хрома в общем балансе элементов относительно невелико: 2, 7 %- для березы бородавчатой, 2, 4 % - для сосны обыкновенной и 0, 8 % - для лиственницы Сукачева. Доля одного из высокотоксичных элементов - стронция колеблется в пределах от 3, 9 % (лиственницы Сукачева) до 0, 9 % ( сосна обыкновенная), при этом доля стронция в органах березы бородавчатой не превышала 2, 7 %.

Рассмотрев процентное соотношение элементов, содержащихся в целом растения, необходимо определить в каких именно органах накапливается наибольшее количество этих элементов. Необходимо это сделать для того, чтобы определить какие из органов растений обладают наибольшей аккумулирующей способностью. [10], [7]

Установлено, что побеги березы бородавчатой обладают большей аккумулирующей способностью по сравнению с листьями, корой и корневой системой. Для лиственницы Сукачева отмечается сходная картина - в побегах концентрируется значительно больше элементов (около 90 %), чем в других частях растения. В растениях сосны обыкновенной максимум содержания элементов приходится на хвою. Видимо, это обусловлено тем, что средний возраст хвои сосны обыкновенной в условиях промышленного загрязнения колеблется в пределах 3 - 5 лет, а поскольку ассимиляционные органы растений являются центрами активной деятельности синтеза многих жизненно важных соединений, то и приток веществ, вместе с техногенными элементами, в эти органы значителен. Следует отметить, что наименьшее концентрирование элементов приходится на кору всех исследуемых видов древесных растений. [11], [1]

Изучение распределения элементов между подземной и надземной частями растений помогает понять механизмы устойчивости растений и «буферную емкость» корневой системы растений, т. е. способность растения противостоять проникновению токсичных соединений внутрь организма, а также способность связывания токсикантов уже внутри корневой системы, тем самым ограничивая их распространение внутри растительного организма.

По результатам настоящих исследований можно сделать вывод о том, что корневая система сосны обыкновенной обладает несколько большей аккумулирующей способностью нежели корневые системы лиственницы Сухачева и березы бородавчатой. Распределение элементов в растениях между надземной и подземной частями может быть представлено как 9: 1. [10], [13]

Флористический состав травянистой растительности на отвалах Кумертауского угольного разреза довольно однородный - в основном злаки: мятлик степной (Poa stepposa (Kryl. ) Roshev. ), тимофеевка степная (Phleum phleoides (1. ) Karst. ), ковыль-волосатик (Stipa capillata L. ). На участках отвалов возрастом 20-25 лет проективное покрытие трав изменяется от 15 до 90 %, причем наименьшее показатели покрытия характерны для участков, подвергающихся эрозионным процессам. Общее количество видов трав на участках, заложенных в различных условиях отвалов и на различных грунтах, колеблется от 13 до 25 видов. Общее число видов растений, участвующих в зарастании отвалов буроугольных разработок, довольно значительное (66 видов). [5]

Нередко встречаются в лесных насаждениях на отвалах грибы, зачастую являющиеся объектом собирательства местного населения -маслята зернистые и подберезовики. [5]

Заключение

В работе проанализировано состояние 20-летних древесных насаждений, произрастающих на отвалах Кумертауского буроугольного разреза: проведена оценка относительного жизненного состояния этих насаждений, проведен анализ содержания ряда техногенных элементов в различных органах березы бородавчатой, лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной, а также определено содержание этих элементов в почвогрунтах. [ 14]

Основные результаты исследований представлены в виде следующих выводов:

1. Состояние насаждений березы бородавчатой, лиственницы Сукачева и сосны обыкновенной характеризуется как «ослабленное». В целом лесобиологическая рекультивация буроугольных отвалов представляется перспективным направлением. Это особенно актуально с учетом расположения Кумертауского буроугольного месторождения в лесостепной зоне. [4]

2. Отвалы Кумертауского буроугольного разреза представляют собой грунты с высоким содержанием токсичных компонентов. В результате проведения лесовосстановительных мероприятий по прошествии двух десятков лет под древесными насаждениями отмечается формирование гумусового горизонта. [1 ]

3. Древесные растения поглощают и аккумулируют часть техногенных элементов. Если оценивать общую аккумулирующую способность древесных растений, то данный ряд можно представить как: береза бородавчатая >сосна обыкновенная >лиственница Сукачева. [10], [1]

4. Для успешного восстановления нарушенных ландшафтов необходимо использовать несколько видов древесных растений. Это связано с тем, что биологические особенности и различная избирательная поглотительная и аккумулирующая способности древесных растений обеспечивают эффективную биологическую консервацию токсичных соединений отвальных грунтов. При лесной рекультивации промышленных отвалов обеспечивается сокращение водно-ветровой эрозии отвальных грунтов, наблюдается аккумуляция в многолетних частях древесных растений ряда токсичных элементов и снижение уровня вторичного загрязнения прилегающих ландшафтов. [14], [8]

5. При проведении лесохозяйственных мероприятий необходимо осуществлять постоянный мониторинг за состоянием насаждений и своевременно осуществлять уход за насаждениями. Проведенные рекультивационные мероприятия по созданию лесных насаждений на отвалах Кумертауского буроугольного разреза позволило сократить срок лесовосстановления на данной территории на 15 - 20 лет по сравнению с естественным процессом восстановления зонального растительного покрова. [6], [8], [2]

Список использованных источников

1. Гиниятуллин, Р. Х. Накопление металлов в листьях тополя, березы и хвое лиственницы в условиях промышленного загрязнения // Вертикаль. - 1997. -Т. 2, N 2. -С. 118-123.

2. Кулагин А. Ю., Ведерников К. Г., Мартьянов Н. А., Баталов А. А. Лесная рекультивация отвалов Кумертауского буроугольного разреза // Труды Стерлитамакского филиала АН РБ. - Уфа: Гилем, 2001. Вып. 1. - С. 45.

3. Абдуллин Р. Р., Кулагин А. А., Хисамов Р. Р. О развитии лесных насаждений на промышленных отвалах Башкирского Предуралья // Сборник материалов IV Международной научно-практической конференции «Природоресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России». - Пенза: МНИЦ ПГСХА, 2006. - С. 3-5.

4. Абдуллин, Р. Р. Оценка состояния лесонасаждений на промышленных отвалах Кумертауского буроугольного разреза (Предуралье) // Труды Института биоресурсов и прикладной экологии (Материалы Международной конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий»). - Оренбург, 2008. - с. 20-21.

5. Ведерников, К. Г. Особенности естественного возобновления растительности и перспективы лесной рекультивации промышленных отвалов Кумертауского буроугольного разреза // Биоразнообразие и ресурсы Урала и сопредельных территорий. Материалы Международной конференции. Оренбург: ИПК «Газпромпечать», 2001. - с. 66-67.

6. Ведерников, К. Г. Лесная рекультивация и восстановление природных комплексов на отвалах буроугольных разработок в лесостепной зоне // Материалы юбилейной научной конференции молодых ученых «Молодые ученые Волго-Уральского региона на рубеже веков» - Уфа: БГУ, 2001. - Том 1. - с. 32.

7. А. А. Баталов, А. Ю. Кулагин, Н. А. Мартьянов, О. Б. Горюхин. Лесная рекультивация промышленных отвалов в Башкирии. - Уфа: БНЦ УрО АН СССР, 1988. - 24 с.

8. Ведерников К. Г. Лесная рекультивация и оптимизация техногенных ландшафтов (на примере промышленных отвалов Кумертауского буроугольного разреза). Автореф. дисс.... канд. биол. наук. - Тольятти: Институт экологии Волжского бассейна РАН, 2002. - 18 с. Научный руководитель - д. б. н., проф. Кулагин А. Ю., научный консультант - д. г. -м. н. Салихов Д. Н.

9. Кулагин А. Ю., Ведерников К. Г. Лесная рекультивация отвалов горнодобывающей промышленности на Южном Урале и сопредельных территориях // Лесные стационарные исследования: методы, результаты, перспективы. Материалы совещания. - Тула: Гриф и Ко, 2001. - С. 419-420.

10. Кулагин А. Ю., Баталов А. А., Гиниятуллин Р. Х., Салихова Р. Н. О содержании некоторых металлов в древесных растениях промышленных отвалов Южного Урала // Проблемы рекультивации нарушенных земель. Тезисы докладов V Уральского совещания. - Свердловск: УрО АН СССР, 1988. - С. 45-46.

11. Абдуллин Р. Р., Юсупов А. А., Кулагин А. А. Особенности роста хвои и побегов лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii Dyl. ) на промышленных отвалах Кумертауского буроугольного разреза в Башкирском Предуралье // Молодежь и наука на севере. Материалы докладов I Всероссийской молодежной научной конференции. Том III. XV Всероссийская молодежная научная конференция «Актуальные проблемы биологии и экологии» -Сыктывкар, 2008. - С. 4.

12. Кулагин А. Ю., Баталов А. А., Мартьянов Н. А., Горюхин О. Б. Особенности роста древесных пород в насаждениях на промышленных отвалах // Закономерности роста и производительности древостоев. Тезисы докладов научной конференции. - Каунас: ЛитСХА, 1985. - С. 244-247.

13. Хисамов Р. Р., Юсупов А. А., Абдуллин Р. Р., Кулагин А. А. Об эффективности полезащитного лесоразведения на Южном Урале // Вестник Оренбургского государственного университета, 2007. - №75. - с. 384-387.

14. Баталов А. А., Мартьянов Н. А., Кулагин А. Ю., Горюхин О. Б. Лесовосстановление на промышленных отвалах Предуралья и Южного Урала. - Уфа: БНЦ УрО АН СССР, 1989. - 140 с.

Скачать курсовую работу: KURSOVAYa-PO-FAUNE.docx