Техногенні території:

Сільськогосподарська

рекультивація, оптимізація

ландшафтів, раціональне

використання

Шемавньов Володимир Ілліч

Забалуєв Віктор Олексійович

Дніпропетровський аграрний університет

Актуальність проблеми

• За даними Держкомзему України, на початок 2002 р.

в степовій зоні зареєстровано 87,5 тис. га порушених

земель, негативний вплив яких поширюється на

значно більшу територію

• Рекультивація порушених земель передбачена

Земельним кодексом України та Законом “Про

охорону земель”

Актуальність проблеми

• У сучасних умовах кожні 15 років відбувається подвоєння

загальносвітового видобутку корисних копалин із надр Землі

• Потужний гірничодобувний комплекс призводить до величезних

техногенних навантажень на довкілля.

• Щорічно світова площа сільськогосподарських угідь зменшується

на 0,5 %

• Україна, займаючи менше 0,5 % світової площі, видобуває

близько 5 % світового обсягу мінерально-сировинних ресурсів

• Концепція поліпшення екологічного становища гірничодобувних

регіонів України передбачає розробку комплексу заходів,

спрямованих на стійке функціонування природних екосистем та

приведення довкілля у стан, що гарантує безпеку життя і здоров’я

людей

Панорама марганцеворудного кар'єра

Видобуток корисних копалин відкритим способом призводить до повного

руйнування ґрунтового покриву – основи біогеоценозу,

а також знищує фіто-, зоо- та мікробоценотичний блоки біогеоценозу

Техногенний ландшафт, сформований відвалами гірських порід

після видобутку марганцевої руди

Тільки у Нікопольському марганцеворудному басейні порушено

гірничими розробками понад 14 тис. га чорноземів

Техногенний ландшафт через 40 років з початку

самовідновлення (не сплановані відвали марганцевого кар'єра)

Самовідновлення екосистем на порушених землях

Самовідновлення фітоценозів та едафічного блоку екосистем

відбувається досить повільними темпами

(сплановані відвали марганцевого кар'єра 35-річного віку)

Панорама порушених земель

Стратиграфія марганцевого кар'єра

Верхня товща кар'єра представлена лесоподібними

і червоно-бурими суглинками та глинами

Панорама середньої частини кар'єра

Середня частина розкривних

гірських порід представлена

червоно-бурими, сіро-зеленими

мергелистими, темно-сірими,

різнокольоровими строкатими,

яблучно-зеленими,

сланцюватими та іншими

геологічними відкладами

різноманітного складу і

властивостей

Нижній уступ кар'єра, де залягає пласт марганцевої руди,

представлений олігоценовими відкладами

У процесі рекультивації цілеспрямованоконструюються грунтоподібні тіла (штучні едафотопи),

які одержали назву техноземів

техноземитехноземитехноземитехноземи(техногенно створені едафічні системи)

педоземипедоземипедоземипедоземи –спланована поверхня

відвалів

покрита родючим

шаром грунту

літоземилітоземилітоземилітоземи –без покриття

спланованої поверхні

шаром ґрунту

Моделі техноземів

для сільськогосподарської рекультивації земель

• Універсальна

• Підвищеної родючості

• Геомеліоративна

• Гідроакумулятивна

• Локальна

• Спеціальні (без покриття родючим

шаром)

Універсальна модель та модель

підвищеної родючості

• На сплановану

поверхню відвалу

наносять 50 або 80

см родючого шару

чорнозему

Геомеліоративна модель

На сплановануповерхню відвалунаносять 50 смлесоподібногосуглинку, а на нього- 80-100 смродючого шаручорнозему

Локальна модель

• Родючою масою

грунту заповнюють

ями або траншеї

• Необхідність у

родючій масі

чорнозему

зменшується у 5-8

разів

Гідроакумулятивна модель

Складається з трьох

шарів:

• Верхній з родючої

маси чорнозему

• Середній –

водовміщуючого

піску або супіску

• Нижній – з важкої

водоупірної глини

Гідроакумулятивна модель штучного едафотопу дозволяє

накопичувати у кореневміщуючому шарі

додатково 50-70 мм вологи

50 см шар

ґрунтової маси

25-30 см прошарок піску

(водовміщуючий шар)

Водоупір з глин важкого

гранулометричного складу

50 см прошарок

лесоподібного суглинку

Спеціальні моделі (літоземи)

Спланована поверхня відвалів

з не фітотоксичних

полідисперсних гірських

порід без покриття їх

родючим шаром ґрунту

Використовується у сільському

та лісовому господарстві,

для створення сіножатей,

луків

Багаторічні польові досліди проводяться

на спеціально створеному науковому стаціонарі

Вивчення параметрів моделей штучних едафотопів

проводили у спеціальних модулях

Ефективність енергетичних дотацій у вигляді мінеральних,

органічних та бактеріальних добрив досліджували у

вегетаційних дослідах

Бонітет геологічних відкладів за гранулометричним

складом (10-бальна класифікація Н.А. Качинського)

7,1-9,446,2-70,9Червоно-бурі суглинки та глини

7,8-9,428,8-59,0Товща лесоподібних відкладів

3,6-5,98,5-15,8Древньоалювіальний пісок

6,8-7,265,1-77,4Сіро-зелені мергелисті глини

Бал

бонітету

Вміст

“фізичної глини”,

%

Геологічні відклади

Гранулометричний показник структурності гірських порід(за Корчагіною, Вадюніною, 1975)

298

307

226

109

75

47

0 50 100 150 200 250 300 350

темно -с ір і сланцюваті

глини

сіро -зе лені

мергелисті глини

вохристо -зеле ні глини

червоно -бур і глини

червоно -бур і суглинки

ле соподібні суглинки

лесоподібні суглинки

За гранулометричним складом придатність геологічних відкладів

як субстратів для сільськогосподарського використання має такий

ряд (у порядку зниження бонітету):

червоно-бурі суглинки

червоно-бурі глини

зелені, зеленувато-сірі,

мергелисті відклади

темно-сірі, вохристо-зелені

та чорні сланцюваті відклади

Древньоалювіальні піски

15,422,961,1Древньоалювіальний пісок

4,283,012,8Темно-сіра глина

66,825,08,2Сіро-зелені міоценові та

олігоценові глини

7,866,126,1Червоно-бура глина

28,038,533,5Лесоподібний суглинок

28,143,828,1Ґрунтова маса чорнозему

південного

монтморилонітгідрослюдакаолініт

Глинисті мінералиСубстрат

Співвідношення між глинистими мінералами в мулистійфракції зонального ґрунту та гірських порід, %

0,060122116478Зелена безкарбонатна глина

0,056120816570Яблучно-зелена глина0,067136720503Древньоалювіальний пісок

0,052109914789Темно-сіра глина

0,0478619719Сіро-зелена мергелистаглина

0,055114115462Червоно-бура глина

0,059120016661Червоно-бурий суглинок

0,057115815725Лесоподібний суглинок

0,065132118476Орний шар чорнозему

Ентропіямінеральноїчастини

Вільна енергіяГіббса

Енергія кристалічноїрешіткиСубстрат

Термодинамічні характеристики мінеральної частини субстратів,

КДж/100 г

сприятливість до грунтоутворення

Показники найменшої вологоємності та вологостів”янення рослин

1 - чорнозем південний

2 - лесоподібні суглинки

3 - суміш червоно-бурих

глин і суглинків

4 - сіро-зелені мергелисті

глини

8,2 8,9

14,7

22

27,725,2

34,5

44,2

0

10

20

30

40

50

1 2 3 4субстрати

%

Вологість вянення рослин, % Найменша вологоємність, %

Гідрологічна характеристика техноземів

Загальні та продуктивні запаси вологи у метровому шарі

техноземів при найменшій вологоємності (НВ), мм

1 - чорнозем південний

2 - лесоподібнийсуглинок (-23 мм)

3 - суміш червоно-бурихглин і суглинків (+33 мм)

4 - сіро-зелені мергелисті

глини (+78 мм)

327

438

530

188

244289

332

211

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4

субстрати

запаси в

ологи

, м

м

загальні продуктивні

Співвідношення фракцій фосфатів у техноземах

25,313,1 12 11,1

29,748

44,7 47,7

8,38,3 11,6 6,9

12,46,3 6,5

2

24,3 25,232,3

24,3

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4субстрати

Са-РI Са-РII Al-Р Fe-Р Са-РІІІ

1 – ґрунтова маса

чорнозему

2 - лесоподібний суглинок

3 - суміш червоно-бурих

глин і суглинків

4 - сіро-зелені мергелисті

глини

79,9

мг-екв. 66,9

мг-екв.

80,2мг-екв 73,7

мг-екв.

Проблема фосфору у літоземах

0,430,930,190,31Зелена безкарбонатна глина

0,820,930,530,19Древньоалювіальний пісок

0,691,250,390,30Сіро-зелена мергелиста глина

0,621,050,480,29Червоно-бура глина

0,571,030,290,31Червоно-бурий суглинок

0,651,120,390,42Лесоподібний суглинок

1,363,291,202,74Орний шар чорнозему південного

Відношення

ГК : ФК

Вміст

гумусу,

%

Відношення

ГК : ФК

Вміст

гумусу,

%

2005 рік1982 рік

Субстрат

Вміст та якісний склад гумусу в орному шарі ґрунтової маси та гірськихпородах залежно від періоду сільськогосподарського освоєння

(зразки відібрані з багаторічного вегетаційного досліду)

0,450,25 0,18

0,69

0,620,92

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

лесоподібні

суглинки

червоно-бурі

глини

сіро-зелені

глини

вм

іст

гум

ус

у,

%У процесі сільськогосподарського освоєння відбувається

накопичення гумусу у літоземах

З 1973 по 1996 рр. вміст гумусу

у літоземах збільшився:

У лесоподібних

суглинках – у 2,5 рази

У червоно-бурих глинах

і суглинках – у 3,5 рази

У сіро-зелених

мергелистих глинах – у 6,1 разиЛесоподібні

суглинки

Суміш

червоно-

бурих

глин

Сіро-

зелені

глини

1,11

0,98

0,85

0,63

0,5

0,53

0,4

0,47

0,46

0,44

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0-10

10-20

20-30

30-40

40-50

50-60

60-70

70-80

80-90

90-100

гли

би

на

, с

м

гумус, %

Розподіл гумусу по профілю літоземів через 30 років з початку

сільськогосподарського освоєння

0,95

0,84

0,72

0,49

0,56

0,52

0,39

0,44

0,32

0,33

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0-10

10-20

20-30

30-40

40-50

50-60

60-70

70-80

80-90

90-100

гли

би

на

, с

м

гумус, %

1,14

1,02

0,77

0,52

0,48

0,44

0,31

0,32

0,19

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0-10

10-20

20-30

30-40

40-50

50-60

60-70

70-80

80-90

90-100

гли

би

на

, с

м

гумус, %

Лесоподібні

суглинки

Суміш червоно-бурих

глин і суглинків

Сіро-зелені мергелисті

глини

При сільськогосподарському освоєнні відбувається накопичення

елементів родючості

0,04

0,07

0,06

0,08

0,030,03

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

лесоподібні

суглинки

червоно-бурі

глини

сіро-зелені

глини

вм

іст

азо

ту,%

14,1

18,4

14,118,6

44,80

5

10

15

20

25

30

35

лесоподібні

суглинки

червоно-бурі

глини

сіро-зелені

глини

Вміст загального азоту, % Вміст рухомого фосфору, мг/кг

Реакція люцерни на внесення мінеральних форм

поживних речовин

червоно-бура глина

з борту кар”єра

(4,8 мг/кг рухомого фосфору)Червоно-бура глина

через 25 років

біологічного освоєння

(18,9 мг/кг рухомого фосфору)

Вплив бобових на злаки

при сумісному вирощуванні

Чорнозем3

Червоно-бура глина2

Лесоподібний суглинок1

Показники едафічної оцінкискладу і властивостей гірських порід

практично неможливо змінитиВизначають основні (конституційні)

едафічні властивості

Мінералогічний

складГранулометричний

складГеохімічний

склад

можливо змінити

цілеспрямованими енерго-

витратними багаторічними

заходами

гумусонакопичення

розсолення

підвищення біологічної активності

можливо змінити

одноразовими заходами

на незначний період часу

забезпечення поживними елементами

вологонакопичення та вологозбереження

оптимізація повітряного режиму

1

2

3

Обмежувальні чинникисільськогосподарського освоєння літоземів

загальні для всіх

гірських порід

Низький вміст гумусу

Низький вміст азоту

низька агрегатованість

та утворення ґрунтової кірки

підвищений вміст

легкорозчинних солей

важкий

гранулометричний склад

1

Недостатня

забезпеченість

доступним фосфором

специфічні

2Лесоподібні суглинки

Червоно-бурі глини

Сіро-зелені глини

Продуктивність бобово-злакових багаторічних агрофітоценозів та

частка злакових компонентів залежно від часу з початку

сільськогосподарського освоєння літоземів

Заштриховано частку злакових компонентів у надземній фітомасі

Фітоіндикація

173,95146146,143222959Зелена безкарбонатна глина

295,83910230,730501322Древньоалювіальний пісок

242,25815189,545512401Темно-сіра глина

162,05649123,242973488Сіро-зелена мергелиста глина

235,94331200,236751836Червоно-бура глина

218,44902194,643692245Червоно-бурий суглинок

203,74282150,131562102Лесоподібний суглинок

% до

контролювсього% до

контролювсього

ГнійРК

Без

удобрення

(контроль)

Сумарна кількість енергії, КДж/посудину

Субстрат

Вплив стартового внесення добрив на кількість енергії, акумульованої в

надземній фітомасі сільськогосподарських культур залежно від субстрату

(вегетаційний дослід, сума за 1982-2000 рр.)

859,4721,8488,216,716,716,5Зелена безкарбонатна глина

539,6436,2372,813,814,328,2Древньоалювіальний пісок

1000782,8662,717,217,227,6Темно-сіра глина

926,4825,0537,216,419,215,4Сіро-зелена мергелиста глина

714,6345,5354,316,59,419,3Червоно-бура глина

583,3485,0489,411,911,121,8Червоно-бурий суглинок

659,4631,2449,815,420,021,4Лесоподібний суглинок

842,2892,9614,812,815,916,3Орний шар чорнозему південного

гноюРКнеудобр

еномугноюРК

неудобре

ному

Додатково акумульовано

енергії (КДж/посудину)

на фоні:

Прибавка від інокуляції

(%) на фоні: Субстрат

Ефективність інокуляції люцерни ризоторфіном, виражена прибавкамиурожаю надземної маси наступних за люцерною рослин

(вегетаційний дослід, 1982-2000 рр.)

611

63

65

73

64

230

41

47

69

159

138

134

189

145

139

139

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Орний шар чорнозему

південного

Лесоподібний суглинок

Червоно-бурий

суглинок

Червоно-бура глина

Сіро-зелена

мергелиста глина

Темно-сіра глина

Древньоалювіальний

пісок

Зелена безкарбонатна

глина

Показники акумуляції енергії у органічній частині субстратів

при їх біологічному освоєнні(багаторічний вегетаційний дослід, 1982-2001 рр.)

Запаси енергії у

органічній частині

субстратів на

початок досліду

Запаси енергії у

органічній частині

субстратів,

акумульованої за

20 років

біологічного

освоєння

Варіанти чергування сільськогосподарських культур в часі

при освоєнні літоземів (1971-2002 рр.)

• люцерна посівна 4 роки →• ярий ячмінь →• еспарцет піщаний 5 років →• ярий ячмінь →• бобово-злакова травосуміш 9 років →• чистий пар →• озима пшениця →• бобово-злакова травосуміш 10 років

• люцерна посівна 4 роки →• чистий пар →• ярий ячмінь →• ярий ячмінь →• чистий пар →• озима пшениця →• ярий ячмінь →• чистий пар →• озима пшениця →• ярий ячмінь →• кукурудза →• горох →• ярий ячмінь →• горох →• ярий ячмінь →• горох →• ярий ячмінь →• чистий пар →• озима пшениця →• озима пшениця →• бобово-злакова травосуміш 9 років

варіант 2 −варіант 1

Частка бобових і

бобово-злакових

агроценозів –

87,5 % часу

Частка бобових і

бобово-злакових

агроценозів –

40,6 % часу

Багаторічні польові досліди проводились на спеціально

створеному науковому стаціонарі без насипного шару ґрунту

100

81,3

86,2

186,2

0

50

100

150

200

250

300

1 2

варіанти

продукт

ивніс

ть, т/

га

105,3

92

101,9

155,3

0

50

100

150

200

250

300

1 2

варіанти

продукт

ивніс

ть, т/

га

Співвідношення між надземною та підземною біомасою та

сумарна продуктивність сільськогосподарських культур

при освоєнні літоземів (1971-2002 рр.)

на сумішці червоно-бурих глин

і суглинків

на сіро-зелених мергелистих

глинах

- надземна фітомаса - підземна фітомаса

Стійкість агрофітоценозу забезпечують різні вимоги до екологічнихчинників окремих його компонентів відношенням до:

вологи

живлення

світла

аерації грунту

здатніздатніздатніздатні переносити

несприятливінесприятливінесприятливінесприятливі

умовиумовиумовиумови зимівлізимівлізимівлізимівлі іііі посухипосухипосухипосухи

Мезофіти: люцерна, стоколос

Ксерофіт: еспарцет

Ксеромезофіт: житняк

Мегатрофи: стоколос, житняк

Еврітрофи: люцерна, еспарцет

Геліофіти: стоколос, люцерна, житняк

Тіньовитривалий: еспарцет

Здатний переносити умови ущільнення: житняк

Аерофіти: люцерна, стоколос, еспарцет

Гемікриптофіти: люцерна, еспарцет

Геофіт: стоколос

Хамефіт: житняк

Підбір компонентів

3,92

1,61 1,641,41

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0-10 см 10-20 см 20-30 см 30-40 см

відстань до люцерни

продукт

ивніс

ть, г/

дм

2

1,14

0,35 0,360,24

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0-10 см 10-20 см 20-30 см 30-40 см

відстань до люцерни

продукт

ивніс

ть, г/

дм

2

4

2,33

1,78

1,12

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0-10 см 10-20 см 20-30 см 30-40 см

відстань до люцерни

продукт

ивніс

ть, г/

дм

2

Ефективність сумісного вирощування

багаторічних бобових та злакових трав

продуктивність злакового компоненту

(по переферії) залежить від відстані

до бобового компоненту (у центрі)

Літоземи як тести

0,64НІР05

, г/дм2

1,121,782,334,004,8Сіро-зелена глина

0,240,360,351,145,8Червоно-бура глина

1,411,641,613,927,9Лесоподібний суглинок

30−4020−3010−200−10

Відстань до рослин люцерни, смПродуктивність

бобового

компоненту,

г/дм2

Субстрати

Продуктивність злакового компоненту в залежності відвідстані до бобового компоненту, г/дм2 надземної сухої

Багаторічні бобово-злакові агрофітоценози на літоземах

На сіро-зелених

мергелистих

глинах

На суміші

червоно-бурих

глин

На лесоподібних

суглинках

Едафотоп −−−− суміш червоно-бурих глин і суглинків

0,5−1,00,5−0,81,6−1,91,1−2,81,5−2,31,7−3,0НІР05

, ц/га

-4.813,319,033.148,0100 : 05

14,814,922,339,543,853,175 : 254

15,015,023,138,942,149,463 : 373

14,414,821,936,437,644,150 : 502

11,311,616,629,530,631,90 : 1001

7-й6-й5-й4-й3-й2-й

Рік життяСпіввідношеннябобові :

злаковіпри сівбі, %

Варіант

Продуктивністьбагаторічнихскладнихагрофітоценозів залежновіднормвисівукомпонентів, ц/гаповітряно-сухоїмаси

Співвідношення компонентів

Едафотоп −−−− сіро-зелені мергелисті глини

0,6−1,00,7−0,91,6−1,71,6−2,12,0−2,42,5−2,7НІР05

, ц/га

--6,513,732,340,7100 : 05

16,916,122,235,345,654,975 : 254

17,517,522,832,442,852,663 : 373

17,216,421,331,540,648,750 : 502

12,715,217,730,240,935,00 : 1001

7-й2000−02

рр.

6-й1999−2001

рр.

5-й1998−2000

рр.

4-й1997−99

рр.

3-й1996−98

рр.

2-й1995−97

рр.

Рік життяСпіввідношеннябобові :

злаковіпри сівбі, %

Варіант

Продуктивністьбагаторічнихскладнихагрофітоценозів залежновіднормвисівукомпонентів, ц/гаповітряно-сухоїмаси

Співвідношення компонентів

Загальна продуктивність та продуктивність окремих видів трав

бобово-злакового агрофітоценозу залежно від

співвідношення норм висіву компонентів

14,4 16,820,3

12,313,9

15,7

16,914,6

12,1

0

10

20

30

40

50

60

50:50 67:33 75:25

інші види

житняк

стоколос

еспарцет

люцерна20

24,928,2

11,9

15

16,86,1

4,9

4

0

10

20

30

40

50

60

50:50 67:33 75:25

18,423,5

28,3

10,3

13,6

16,314,2

10,5

5,7

0

10

20

30

40

50

60

50:50 67:33 75:25

На насипному

шарі грунту

На сіро-зелених

мергелистих

глинах

На суміші

червоно-бурих

глин

9,7 11,314,1

5,16,2

7,4

21,319,6

17,6

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50:50 67:33 75:25

13,218,8

21,7

7

9,1

11,311,1

8,6

8,5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50:50 67:33 75:25

11,114,6

18,3

5,2

7,7

8,416,2

13,3

11,7

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50:50 67:33 75:25

Другий

рік

життя

Третій

рік

життя

На насипному

шарі грунту

На сіро-зелених

мергелистих

глинах

На суміші

червоно-бурих

глин

Четвертий

рік

життя

П”ятий

рік

життя

3,4 4 4,21,5 1,1 1,4

22,6 21,4 22,5

6,8 7,6 6,9

4,6 5,2 5,8

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50:50 67:33 75:25

8,612 13,5

4,8

6,67,1

15,7

13,412,5

6,5

6,1 5,70,80,8 0,7

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50:50 67:33 75:25

5 7,2 9,52,4

3,34

1715,2

15,2

6,3 5,9

5,80,8 0,80,8

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50:50 67:33 75:25

1 ,1 1 ,3 1,20 ,4 0 ,4 0,4

15 15 ,3 15 ,3

8 ,8 8 ,6 8,8

5 ,6 4 ,8 5,4

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50 :50 67 :33 75:252 2,3 2,5

1,1 1,3 1,3

8,3 9,5 10,4

8,17,8 7,2

2,42,2 0,9

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50:50 67:33 75:25

1,1 2,2 21,3 1,2 1,8

9,8 9,4 9,5

7,2 7,8 7,6

1,92,2 2,2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

50:50 67:33 75:25

Загальна продуктивність та продуктивність окремих видів трав

бобово-злакового агрофітоценозу

залежно від співвідношення норм висіву компонентів

Травостій 5-го року використання,

створений на лесоподібному суглинку

На першому етапі стабілізаційно-фітомеліоративного періоду

рекультивації порушених земель доцільно створювати одновидові

агрофітоценози з багаторічних бобових трав

Люцерна синьогібридна та еспарцет піщаний

на літоземах глинистого та суглинистого

гранскладу забезпечують щорічну

продуктивність надземної сухої маси

до 35-42 ц/га

Удосконалення технології рекультивації

Основним критерієм оптимальності технологій

сільськогосподарської рекультивації земель має бути

створення екологічно збалансованих, оптимально

організованих високопродуктивних агроекосистем,

які забезпечують досягнення максимального

природоохоронного, господарського і соціального ефекту

при мінімальних матеріально-фінансових затратах

Дякую за увагу!