Пошук по сайту


О. О. Скрипник Інститут проблем природокористування та екології нан україни, Дніпропетровськ

О. О. Скрипник Інститут проблем природокористування та екології нан україни, Дніпропетровськ

Сторінка1/3
  1   2   3

ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2008, Випуск 11





УДК 379.85:712.23:332.32


Розробка наукових основ технологій біогеодиверсифікації порушених гірничими роботами земель для розбудови екологічної мережі *


О.О. Скрипник


Інститут проблем природокористування та екології НАН України, Дніпропетровськ


Визначено основні ряди абіотичного різноманіття поверхонь, порід, ґрунтів. Розроблені основи технологій відновлення ґрунтів та рослинності порушених гірничими роботами земель. Запропоновані основні засади розробки методів використання екологічних коридорів для відновлення біорізноманіття.


Определены основные ряды абиотического разнообразия поверхностей, пород, почв. Разработаны основы технологий восстановления почв и растительности нарушенных горными работами земель. Предложены общие подходы к разработке методов использования экокоридоров для восстановления биоразнообразия.



Вступ

Проблема відродження порушених гірничими роботами земель залишається актуальною і в двадцять першому сторіччі. В Україні налічується понад 160 000 га порушених земель. Тільки в Кривбасі залишається покинутими напризволяще понад 14 000 га. Рекультивація на них не виконується, відсутні умови, засоби і, навіть, мотивація для виконання робіт. Разом з тим, з часів затвердження стандартів рекультивації пройшло понад 20 років, у суспільства з’явилися нові потреби, крім родючості земель, сьогодні потрібні біорізноманіття, безпечне навколишнє середовище. Іде активний пошук нових форм землекористування: ренатуріровання [1], екологічної реставрації, ремедіації, ревіталізації [2], екологічної мережі [3] та інших. Для створення штучного ландшафтного та біологічного різноманіття порушені землі потребують технологій біогеодиверсифікації, які передбачають створення нового вторинного біологічного та ландшафтного різноманіття. Технології біогеодиверсифікації мають бути системними, тобто спрямовуватись на всі елементи екосистем, як біотичні, так і абіотичні, застосовуватись вже на останніх стадіях гірничих процесів.

Розробка та впровадження технологій біогеодиверсифікації потребує розуміння біорізноманіття як системи природних феноменів,
© Скрипник О.О., 2008

яке було започатковано видатними вченими-еволюціоністами Ж.Б.Ламарком, Ж.Кюв’є, Ж. Сент-Ілєром ще в 18 сторіччі.

Вони розглядали біорізноманіття як, завжди притаманну живому, властивість. На першому етапі розвитку біології всі сили покладалися на опис біорізноманіття і формування перших систем в вигляді класифікацій. Теорія природного відбору Ч. Дарвіна, яка розглядала біорізноманіття як систему спадковості та мінливості в умовах середовища, дала могутній поштовх розвиткові всієї біологічної науки. Сучасна загальна біологія розглядає біорізноманіття як класичну систему, елементами якої є живі організми. В ній виділяються ієрархічні рівні, різноманітні моделі взаємодії між системою та середовищем, емерджентність [4]. Біологи формують нову науку, предметом якої є різноманітність в загальному розумінні (діатропіка). Вони визначили, що природному різноманіттю притаманна періодичність, систематичне повторення властивостей [5], які отримали назву рефрена. Яскравим прикладом рефрену різноманіття хімічних елементів є періодична система елементів Д. І. Мендєлєєва.

Виходячи з того, що в природі можливі будь-які комбінації властивостей виконуєть-
* Робота виконана під науковим

керівництвом член-кор. НАН України А.Г. Шапара

ся обґрунтування ядра, як найбільш яскравого втілення елемента різноманіття, та периферії, в якості перехідних зон, де властивості елементів різноманіття проявляються слабше.

Загальне наукове визнання отримала лінійна категорія ряду, як підсистеми біорізноманіття. Екологічний ряд розглядається як просторова зміна екосистем, що відрізняються різкою зміною умов середовища, як правило, в межах геоморфологічного профілю [6].

Класифікаційний ряд використовується в ботаніці як перший ранг підсистеми різноманіття, що об’єднує раси рослин за генетичною подібністю [6]. Закон гомологічних рядів оперує генетичним рядом [7] і визначає найпростішу систему генетичної різноманітності.

Формально, ряд є лінійною системою природних феноменів. Тобто, ряд феноменальних ознак вибирається з випадкового ряду під дією природних явищ і процесів. Випадковий ряд відображає кібернетичне уявлення про різноманіття як про невизначеність, яку обмежує інформація [8]. Формальні підходи лежать в основі індексів та показників, які виражають гетерогенність різноманіття, але не задовільняють спеціалістів як ознака біорізноманіття.

Однак, ряду для опису різноманіття виявляється недостатньо, тому що біотичні та абіотичні елементи мають декілька властивостей, які утворюють групу ознак. З двох властивостей утворюється сітка біорізноманіття. Загальне визнання отримала едафічна сітка П. С. Погребняка, сітка лісорослинних умов А.Л. Бельгарда та інші [9]. Не всі клітини таких сіток бувають заповнені, багато з них бувають відсутніми в природному середовищі. Сітки застосовувалися для відображення абіотичного різноманіття (наприклад, лісорослинних умов), яке є джерелом біологічного та ландшафтного різноманіття. Визнаючи ценотичне походження різноманіття, треба припустити аналогічну ценотичній структуру абіотичного різноманіття. Абіотичне різноманіття складається з різноманіття будови поверхні (рельєфу), різноманіття гірських ґрунтотворних порід, різноманіття ґрунтів, кліматичного різноманіття.

Система біорізноманіття має фрактальну структуру, тобто кожний феномен є окремим проявом явищ еволюції [10]. Це не виключає можливість існування перехідних форм, але сутність біорізноманіття залишається фрактальною. З фрактального характеру біорізноманіття випливає залежність біорізноманіття від масштабу, або ієрархічного рівня розгляду. Тобто, таким же чином зростає біорізноманітність при послідовному розгляді на рівні типу, підтипу, роду, виду, різновиду, як збільшується довжина берегової лінії зі збільшенням масштабу карти [11].Отже, для розробки основ технологій біогеодиверсифікації необхідно визначити основні ряди та сітки абіотичного різноманіття, створити систему оцінки стану абіотичного різноманіття, обґрунтувати основні методи впливу на природні механізми зміни абіотичного та біотичного різноманіття, в тому числі, і через формування екокоридорів.


Матеріали та методи

Об’єктом досліджень служили порушені гірничими роботами землі Криворізького залізорудного та Нікопольського марганцеворудного басейнів.

Предметом досліджень стали абіотичне і біотичне різноманіття і основні засади їх штучного створення. Були застосовані, аналітичні, порівняльні, історичні, генетичні, картометричні [12], екосистемологічні [13] методи. Визначення вмісту важких металів виконували методом атомно-абсорбційної полум’яної спектрофотометрії. Агрохімічні та агрофізичні дослідження виконувались за відповідними ДСТУ для ґрунтів (ДСТУ 4288:2004, 4289:2004, ДСТУ ISO 10390-2001, 11048-2001, ГОСТ 12536-79, 26423-85, 26424-85, 26425-85, 26426-85, 26427-85, 26428-85). Склад водної витяжки з ґрунтів визначали, також, методами газової хроматографії.


Основні результати та їх обговорення

Різноманітність поверхні. В основі абіотичного різноманіття лежить різноманітність поверхні. Будова поверхні називається рельєфом. Тобто її можна ототожнювати з різноманітністю рельєфу, яка визначає диференціацію екосистем, консорцій, ареалів видів та популяцій. На поверхні формуються геохімічні, екзогенні, ґрунтотворні процеси, що позначаються на всіх рівнях різноманіття. Їх хід, швидкість, потужність здійснюють перерозподіл речовини та енергії на поверхні, сприяють утворенню феноменів, які складають різноманіття.

Взагалі поверхня є досить аморфною категорією, яка з великими труднощами набуває фрактального характеру. Горизонтальна площина, яка є окремим проявленням поверхні з постійною висотною координатою точок, не створює феномену різноманітності, тому що, відсутня різниця у взаємодії її точок з агентами ґрунтоутворення, екологічних факторів, фізичних полів Землі. Тобто якщо, в площині , яка задається множиною точок {a1,a2,a3 ...ak, ..., an} виконується умова, що різниця висотних відміток будь-яких двох точок дорівнює нулю, то різноманітність такої поверхні дорівнює нулю, феномени різноманіття відсутні. Таким чином, різноманіття поверхні формується за рахунок висотної координати.

Формальний феномен утворюється при моделюванні поверхні в вигляді площини, яка має певний кут нахилу відносно горизонтальної площини, або кут стрімкості схилу. Реальне різноманіття поверхні має місце, коли на поверхні починається перерозподіл речовини та енергії. Якщо процеси, що відбуваються на поверхні не визивають такого перерозподілу формальний феномен знаходиться в потенційному вигляді і реально не проявляється. Така ситуація створюється, наприклад, на схилах стрімкістю 1°, коли не відбувається утворення поверхневого стоку, тому що сила тяжіння урівноважується силою спротиву поверхні.

Коли швидкість поверхневого стоку перевищує розмиваючу швидкість, починається денудація порід або ерозія ґрунтів, тобто формування різноманіття поверхні, яке найвищого свого прояву досягає коли швидкість поверхневого стоку досягає найбільшої величини при найбільшій довжині схилу за універсальним рівнянням ерозії [14].

Не має сумніву, що поверхня дуже рідко має форму нахиленої площини. Поверхня має більш складну будову, яка визначається кривизнами поверхні. Якщо поверхня є диференційованою, для її опису можна застосувати систему показників П.А. Шарого [15], яка є завершенням розвитку показників кривизни поверхні, започатковану Гаусом.

Визначення акумуляційної кривизни дозволяє відокремити феномени акумуляції (А), транзиту (Т) та стабільності (С), де показник повної акумуляційної кривизни (КА) має відповідне значення більше 0, менше 0, дорівнює 0.

Таким чином, визначаються три основних феномена поверхні, що дозволяє сформувати речовинний ряд різноманіття (Рр) поверхні: Рр = {А, Т, С}.

За будовою поверхні можна визначити феномени дефляції при взаємодії поверхні з вітром. Взаємодія поверхні з вітром відбувається у відповідності з законами аеродинаміки. Тобто, поверхня діє як крило, на якому утворюється підйомна сила. Під її дією гранулометричні елементи ґрунту піднімаються вверх, долаючи силу тяжіння, та переносяться вітром (Т). Коли швидкість вітру спадає нижче величини, що забезпечує підйом спостерігається акумуляція частинок на поверхні (А). В якості третього феномену можна відзначити частини поверхні, де не відбувається дефляція (С).

Дуже важливим для формування феноменів поверхні є процес взаємодії з Сонцем. Він визначає основні енергетичні особливості поверхні. Давно та успішно використовується в екології категорія експозиції поверхні. За сторонами світу визначаються південна, західна, північна, східна експозиції. Для кількісної оцінки можуть бути використані рівняння, що відображають процеси надходження сонячної енергії на довільну поверхню [16].

Найбільше енергії Сонця отримують поверхні південної експозиції, тут складаються умови відповідні більш південним широтам. Тут більших показників набувають середні декадні, середньомісячні, середньорічні температурні показники, показники суми температур за вегетаційний період, інтенсивніше відбувається нагрівання, випаровування, танення снігу. Тому такий феномен поверхні можна визначити як жаркий (Ж). Протилежні відхилення відбуваються на схилі північної експозиції і феномен поверхні може отримати визначення як холодний (Х). Проміжне положення займають поверхні рівні, східної та західної експозиції (П). Таким чином, формується енергетичний ряд (Rе) феноменів: Ре={Ж, Х, П}

Мінімальний набір рядів дозволяє вирішувати проблему різноманіття поверхні в першому наближенні у вигляді сітки (таблиця 1). Очевидно, що ймовірність появи визначених феноменів різноманіття поверхні різна, але всі вони можуть існувати, всіх треба обліковувати при визначенні системи різноманіття поверхні. Природні феномени поверхні виникають в результаті природних геоморфологічних процесів. Техногенез значно розширює можливості виникнення різноманітності поверхонь, в результаті здійснення технологічних процесів.

Особливо значний вплив на стан поверхні здійснюють технології видобування корисних копалин (розкривання, збагачення та інші). Використовуючи можливості гірничого устаткування, можливе формування поверхні з параметрами, які забезпечують швидкий розвиток різноманіття ґрунтів та рослинності порушених земель, рідкісних видів та угрупувань.


Таблиця 1 - Абіотичне різноманіття поверхні


Ряди

Жаркий

Холодний

Помірний

Акумулятивний

Жаркий

Акумулятивний

Холодний

Акумулятивний

Помірний

Акумулятивний

Транзитивний

Жаркий

Транзитивний

Холодний

Транзитивний

Помірний

Транзитивний

Стабільний

Жаркий

Стабільний

Холодний

Стабільний

Помірний

Стабільний




Різноманітність розкривних порід. Технологія відкритих гірничих робіт передбачає переміщення порід з глибоких геологічних шарів на поверхню. Таким чином, на денну поверхню потрапляють різноманітні породи, сформовані в різні геологічні часи, в результаті різних геологічних процесів, які панували під час їх створення на Землі. Видобування корисних копалин в породах архею потребує розкриття гірських порід всіх геологічних епох, що пройшла Земля в своєму розвитку. Таким чином, виходячи з технічних параметрів кар’єру, перш за все глибини, яка може перевищувати 800 м, можна, достатньо обґрунтовано, визначати можливе різноманіття розкривних та вміщуючих порід.

Гірські породи, як природні мінеральні агрегати визначеного складу та будови, є закономірним результатом дії геологічних процесів. Гірські породи в якості закономірних асоціацій мінералів мають стабільний хімічний склад, вміст біофільних (азот, фосфор, калій) та біофобних (важких металів) елементів, які визначають хід грунтотворення та формування рослинності.

Визначаючи феномени різноманіття, необхідно виходити з їх природної сутності. Традиційна класифікація порід [17] побудована фактично на хімічному складі порід (рН водної витяжки, сухий залишок, сума токсичних солей, вміст карбонатів, рухомого алюмінію, обмінного натрію, гумусу, гранулометричних фракцій), тобто, в основному на показниках родючості.

При визначенні різноманітності порід було б більш слушно виходити з генетичної класифікації порід, яка формувалася на основі геологічних процесів. Генетична класифікація порід має в своїй основі мінералогічний склад, що утворився під дією геологічних процесів, в результаті чого сформувалися магматичні (МГ), осадкові (ОС), метаморфічні породи (МФ). Мінералогічний склад визначає всі похідні властивості порід: міцність, твердість, пластичність, щільність, пористість, вологоємність водопроникненість, гранулометричний і хімічний склад, колоїдні особливості.

Використовуючи класифікацію гірських порід, нескладно сформувати перший ряд різноманітності за генезисом: Рг={МГ, ОС, МФ}.

Суттєвим для визначення різноманітності порід є їх подрібненість, яку характеризує гранулометричний склад. Задача визначення гранулометричного складу до цього часу однозначно не вирішена. Існують кілька класифікацій ґрунтів за гранулометричним складом, найбільше поширення з яких отримали системи по Качинському, Охотіну, міжнародна USDA.

Взагалі система елементів у всіх класифікаціях залишається подібною (каміння, гравій, пісок, пил, мул або глина), однак параметри визначення залишаються неспівставними, тобто, перейти від одної класифікації до іншої неможливо. Раціональним вирішенням проблеми визначення гранулометричних елементів буде вибір однієї, зазвичай найбільш уживанішою класифікації, за яку ми вбачаємо класифікацію по Качинському, яка виділяє феномени каміння (КМ), пісок (ПС), пил (ПЛ), мул (МЛ). Для гірських порід характерним є стан моноліту (МН), в якому в природі залягає більшість магматичних та метаморфічних порід. Таким чином, визначається наступний ряд подрібненості порід за гранулометричними елементами, які переважають в загальному складі: Рп = {МН, КМ, ПС, ПЛ, МЛ}.

Подрібненість порід фактично визначає режим зволоження – випаровування, баланс поживних речовин, агрегування ґрунтів, тобто, найважливіші параметри ґрунтотворних процесів. Породи різні за своїм походженням, але однакові за гранулометричним складом, можуть формувати досить однорідну за своїми екологічними характеристиками групу.

Подрібненість виражає енергетичний стан порід. Для отримання каміння з моноліту необхідно витратити природну енергію (гравітаційного поля Землі, випромінювання Сонця) або техногенну енергію (вибуху, відбійки, обрушення, дроблення, розмелювання, флотації та інших). Чим далі в ряду подрібненості розташовується порода, тим більше енергії потрібно витратити, для досягнення її стану [17]. Витрачена енергія може слугувати для оцінки вивітрилості гірських порід, однієї з вимог розвитку ґрунтотворного процесу.

Таким чином, можна визначити абіотичне різноманіття порід, в тому числі, і ґрунтотворних, в першому наближенні (таблиця 2). Визначення різноманіття порід можна деталізувати з використанням, розроблених докладних геологічних класифікацій [17].


Таблиця 2 - Абіотичне різноманіття порід, яке служить основою

для диференціації ґрунтоутворення


Генетичний

ряд

Гранулометричний ряд

Монолітні

(крупно-блочні)

> 2 000 мм

Кам’янисті

(тріщинуваті)

1-2 000 мм

Піщані

0,05-1,00 мм

Пилуваті

0,01-0,05 мм

Мулуваті

< 0,01мм

Магматичні

МГ - МН

МГ - КМ

МГ - ПС

МГ - ПЛ

МГ - МЛ

Осадкові

О - МН

О - КМ

О - ПС

О - ПЛ

О - МЛ

Метаморфічні

МФ - МН

МФ - КМ

МФ - ПС

МФ - ПЛ

О - МЛ




Монолітні гірські породи не можуть слугувати в якості ґрунтотворних. Їх внесок до формування різноманіття ґрунтується на використання їх в якості субстрату для кріплення (тріщини, розломи) деяких рослин, в тому числі, тих, що утворюють спеціальні органи закріплення на відслоненнях порід. Відслонення гірських порід зустрічаються у відпрацьованих кар’єрах і можуть слугувати для геодиверсифікації ландшафтів.

Гірські породи, що складаються виключно з каміння, також, не можуть слугувати в якості ґрунтотворних. Перспективи використання кам’янистих порід для біогеодиверсифікації вбачаються у наступному:

  • здатність деяких з них (горючі сланці та інші) при потраплянні на поверхню землі швидко вивітрюватись і перетворюватись на пил;

  • накопичення родючої речовини в процесі взаємодії з вітром та поверхневим стоком; створення своєрідних елементів ландшафту.

Піщані , пилуваті, мулуваті породи можуть слугувати в якості ґрунтотворних та сприяти формуванню біодиверсифікації ґрунтів, рослинності, тваринного світу порушених гірничими роботами земель. Всі вони відносяться до м’яких порід. Породи, які мають коефіцієнт міцності ≤1, можуть слугувати в якості ґрунтотворних. Показник міцності гірських порід можна використовувати, для визначення ґрунтотворного потенціалу.

Зазвичай на порушених гірничими роботами землях формуються технічні суміші, ґрунтотворна здатність яких визначається їх м’якою складовою.

Ґрунтознавство та механіка ґрунтів оперують аналогічними показниками: відповідно твердості та міцності, які вимірюються в однакових фізичних одиницях тиску (Па або кгс/см2). Ґрунт та ґрунтотворні породи підтримують положення рослинного організму у просторі. Вони забезпечують закріплення кореневої системи в субстраті. Якщо ґрунтотворна порода тверда, коріння зустрічає значний спротив росту і проникненню кореневої системи в субстрат. Можливості стабілізації положення рослинного організму виявляються досить обмеженими. З проникненням в субстрат кореневої системи зростають об’єм породи, який може бути використаний для мінерального та водного харчування рослини. Таким чином, навіть, в бідних за вмістом поживних речовин породах, рослина може забезпечити свої потреби за рахунок розростання кореневої системи та захоплення більшого просторового об’єму живлення.

Отже на основі зміни міцності ґрунтотворних порід можлива розробка методів створення вторинного різноманіття ґрунтів та рослинності.

В процесі розкривних робіт переміщуються значні об’єми гірських порід. На поверхню порушених земель потрапляють тільки деякі з них. Від того, які породи потраплять на поверхню значною мірою залежить і різноманіття поверхні, і різноманіття вторинних ґрунтів, які утворюються на цих породах.

Показники поверхні (кут стрімкості схилу, водозбірна площа та інші), яка створюється в процесі розкривних робіт суттєво залежать від особливостей порід, які використовуються в процесі формування поверхні.

Водно-фізичний, температурний режим порід формується, головним чином, через властивості порід поверхневого шару. При потраплянні на поверхню глин або суглинків, що зазвичай зустрічається при рекультивації, вони блокують надходження вологи в глибокі шари, та швидко втрачають вологу через випаровування і поверхневий стік [18]. Через вплив на стан поверхневого шару порід можна створювати необхідний водний режим розвитку вторинних ґрунтів.

Різноманітність ґрунтів.
  1   2   3

поділитися в соціальних мережах



Схожі:

О. О. Скрипник Інститут проблем природокористування та екології нан україни, Дніпропетровськ
Обґрунтовані шляхи створення техногенного парку. Розроблені ландшафтно-гідрографічні підходи інтеграції техногенного парку до екологічної...

А.І. Кокошко Інститут проблем природокористування та екології нан україни
В роботі розглядається сучасний екологічний стан та вміст хімічних забруднювачів у поверхневих водоймах території Дніпропетровської...

О. А. Романовський Інститут проблем природокористування та екології нан україни
Деякі факти з історії створення інституту, основні його наукові завдання та результати їх вирішення (до 20-річчя інституту)

С. М. Сметана Інститут проблем природокористування та екології нан україни
Дніпро в історичному І сучасному аспектах за основними мотивами створення каскаду водосховищ. Проведено еколого-економічний аналіз...

Екологія І природокористування, 2008, Випуск 11 Частина Матеріали...
Довкілля – ххі”, присвяченої 90-річчю нан україни, які містять результати теоретичних та прикладних досліджень молодих науковців...

Computational Problems of Electrical Engineering
Нан україни, Інститут експериментальної патології, онкології та радіобіології ім. Р. Є. Кравецького нан україни

Екологія І природокористування, 2012, Випуск 15
України в контексті відходоутворення. Приведено наявний досвід та нормативно-правові основи діяльності країн Європейського Союзу...

Досягнення та перспективи
Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції, присвяченої 100-річчю від дня народження проф. Л. А. Христєвої (Дніпропетровськ,...

Екологія І природокористування, 2011, Випуск 14
Просторово енергетична структура території та її значення для оптимізації природокористування #

Бюлетень інформаційно-аналітичних матеріалів
О. Онищенко, академік-секретар Відділення історії, філософії І права нан україни



База даних захищена авторським правом © 2017
звернутися до адміністрації

h.lekciya.com.ua
Головна сторінка