ВведениеПолезные ископаемые являются основой экономики нашей страны. Добыча железной руды – одна из ведущих отраслей производственного комплекса. Россия находится на первом месте в мире по добыче этого полезного ископаемого. Курская магнитная аномалия в России является самым крупным железорудным бассейном. По самым скромным оценкам запасы данного месторождения составляют около 200 млрд. тонн. Этот железорудный бассейн расположен на территории Курской, Орловской и Белгородской областей. Руда, которая залегает на глубине до 500 м, извлекается открытым или карьерным способом. Открытый способ добычи железистых кварцитов приносит больший урон экологии, но его применение требует меньших капитальных вложений. В результате открытой добычи железной руды  возникают техногенные комплексы, требующие скорейшего восстановления.Геоморфологические, субстратные и микроклиматические условия карьерно-отвальных комплексов замедляют самостоятельное воспроизводство лесных экосистем и наиболее эффективно этот процесс протекает  только после проведения технического этапа рекультивации  [5].  В соответствии с ГОСТ 17.5.1.01-83., «к техническому этапу рекультивации относятся планировка, формирование откосов, снятие, транспортирование и нанесение почв и плодородных пород на рекультивируемые земли, при необходимости коренная мелиорация и др.» [6]. Одно из важных мероприятий в ходе технического этапа рекультивации – нанесение плодородного слоя, наличие которого помогает увеличить приживаемость лесных культур. Из насыпных слоёв на поверхности отвала создаются искусственные почвоподобные образования – технозёмы.   На отвалах Курской магнитной аномалии рекультиваторщики изучали различные способы создания технозёмов под закладку насаждений, в том числе «формирование двухкомпонентных техноземов с разной мощностью насыпного плодородного слоя в процессе поверхностного землевания и трехкомпонентных техноземов с погребенным плодородным слоем под слоем песка или песчано-меловой смеси» [11].  Песчано-меловые смеси и пески  являются  наиболее распространенными вскрышными породами в отвалах. Без улучшения лесорастительных условий большинство авторов их относят к малопригодным породам для выращивания древесных и кустарниковых пород [15, 18].  При этом более благоприятными свойствами характеризуются песчано-меловые смеси. Это подчеркивает в своих работах Андрющенко П. Ф. [2].  На биологическом этапе восстановления почвенно-растительного покрова проведение лесной рекультивации диктуется не только  возвращением нарушенных земель лесному производству, но и поддержанием в природе соотношения углекислоты, кислорода и др. за счет увеличения площади земель с древесной и кустарниковой растительностью.Многие отечественные и зарубежные авторы, в том числе Абакумов Е. В. и Гагарина Э. И. считают, что основным направлением использования техногенных ландшафтов должна быть именно лесная рекультивация. [1, 4, 12] .Среди пород, рекомендуемых для лесной рекультивации на сложных по составу грунтосмесях,  ряд авторов выделяют тополя как быстрорастущие и неприхотливые древесные породы.  При этом свои выводы авторы  базируют на исследованиях, проведенных в молодых насаждениях, максимум 20-летнего возраста [8, 9]. Основное внимание в предшествующих работах уделяется анализу состояния и роста культур. Целью данной работы является  прогноз устойчивости и продуктивности культур тополя бальзамического (Populus balsamifera L.) в условиях техногенно нарушенных земель Курской магнитной аномалии.Материалы и методыОбъекты исследования расположены на техногенно нарушенных землях Лебединского горно-обогатительного комбината Курской магнитной аномалии. Научно-исследовательские работы проводились на гидроотвале «Березовый лог» в период с 1976 по 2017 гг. Гидроотвал начал формироваться с 1965 г. намывом нижне- и верхнемеловых отложений горных пород в балку, непосредственно примыкающую с юго-востока к городу Губкину. Нижнемеловые отложения представлены кварцевыми песками альбского яруса и песчано-глинистыми отложениями, богатыми слюдой, апского яруса. Из верхнемеловых отложений на гидроотвале были намыты сеноманские среднезернистые кварцевые пески с включением стяжений фосфоритов.  Помимо песков, характерно наличие примесей  мела сенонского и туронского ярусов. Таким образом, гидроотвал сложен песчано-меловой смесью, которая является малопригодной для выращивания древесной и кустарниковой растительности.На момент исследования общая площадь гидроотвала составила 1241,3 га, высота отвала находилась в интервале 40-46 м, крутизна откосов доходила до 300.Посадке культур тополя предшествовал технический этап рекультивации, в ходе которого на поверхность отвала был нанесен плодородный слой мощностью от 20 до 40 см, местами до 80 см.  Под плодородным слоем понимается  смесь нескольких генетических горизонтов чернозёма типичного.При выборе древесной породы на биологическом этапе рекультивации руководствовались, прежде всего, высокими темпами роста и неприхотливостью тополя бальзамического. Это интродуцированное растение с высокой адаптационной способностью, довольно газоустойчивое и морозостойкое. В зональных условиях доживает до 150-200 лет. Хорошо переносит сухость воздуха и засоление почвы. Благодаря быстрому росту отличается высокой продуктивностью [14].  Тополь бальзамический был апробирован во многих регионах нашей страны при создании санитарно-защитных и эстетических насаждений, а также при восстановлении техногенно нарушенных земель.Насаждения тополя бальзамического на гидроотвале создавались с 1976 г посадкой укорененных черенков ручным и механизированным способами. На первом этапе в 1981г. были созданы насаждения в транзитно-аккумулятивной части отвала, позднее, в 1983 и 1984 годах были созданы насаждения на вершине отвала.  Постоянные пробные площади были заложены, начиная с момента посадки растений. При закладке площадей учитывались современные требования таксации.  Исследовательские работы на пробных площадях выполнялись по общепринятым  в практике лесоводства, лесоведения и почвоведения методикам. Учёт микроклиматических изменений производился по общепринятым методикам метеорологических  наблюдений.Модельные деревья, характеризующие древостой, выбирали по среднему диаметру и средней высоте. Модельные деревья служили основной единицей учета массы органического вещества на пробной площади.  Отдельно учитывались листья, ветви, ствол, корни.  Отбор и учёт массы листового опада проводился в соответствии с рекомендациями Аткина А. С. и Стаканова В. Д.  [3]. Содержание химических элементов в листовом опаде и живом напочвенном покрове проводилось  в Государственном центре агрохимической службы «Воронежский». Были определены следующие показатели по ниже приведенным ГОСТам: фосфор – по ГОСТ 26657-97; калий – по ГОСТ 30504-97; кальций и магний – по ГОСТ 26570-95; азот – по ГОСТ 13496, 4-93; влага – по ГОСТ 27548-97; зола – по ГОСТ 13979-69.Определение тяжелых металлов в ассимилирующих органах  растений проводилось с помощью атомно-адсорбционного спектрофотометра марки ААС 703 «Перкин-Ельмер» (США) в отделе физико-химических исследований НИИ незаразных болезней животных (г. Воронеж). Отбор образцов был произведён в соответствии с рекомендациями Зырина Н. Г. и Обухова А. И.  [7].Статистическая обработка данных выполнялась с использованием пакета прикладных программ EXCEL, STATISTICA.Результаты и обсуждениеПриживаемость и рост древесных культур в условиях техногенно нарушенных земель зависят от различных экологических факторов, среди которых можно выделить: плотность сложения и физические свойства субстратов, абсолютную высоту на различных частях отвала, экспозиции склонов и некоторые другие. Лимитирующим экологическим фактором  является, прежде всего, влага. В связи с этим основными показателями, влияющими на успешное укоренение посадочного материала, а в дальнейшем его рост и развитие,  являются погодные условия вегетационного периода (годовое количество осадков) и запасы воды в субстратах. В дальнейшем от биологической продуктивности насаждений зависит преобразование субстратов и повышение их плодородия.Культуры тополя на гидроотвале создавались, начиная с 1976 г укорененными черенками, ручным и механизированным способами.  Работа велась в несколько этапов: в 1981 г. культуры были заложены в транзитно-аккумулятивной части гидроотвала, а в 1983-1984 гг – на вершине отвала. В транзитно-аккумулятивной части отвала приживаемость составила более 81 %. При  этом при механизированной посадке приживаемость тополя составила 52 %, что связано с засушливыми условиями 1984 года (табл. 1). По показателям роста тополь бальзамический  в экстремальных условиях почвенно-атмосферной засухи на гидроотвале обладает удовлетворительным состоянием и приростом в высоту. Таблица 1Показатели приживаемости и роста тополя бальзамического на гидроотвале «Берёзовый лог»Год посадкиСпособ посадкиПриживаемость, % Высота, см Диаметр, смПрирост ,смТранзитно-аккумулятивная часть отвала1981Ручной81,159,8±0,80 0,63±0,0218,5±1,10Вершина отвала1983Ручной8666,0±6,340,8±0,0220,0±0,941984механизированный5265,8±1,410,6±0,0312,2±0,43Собственные экспериментальные данные Трещевской Э.И.Таблица 2  Характеристика сохранности и роста тополя бальзамического  на гидроотвалеГоды посадкиВозраст, летКоличество осадков, ммСохранность, %Высота, смДиаметр, смПрирост, см 1976165089,449,9±2,310,59±0,0118,9±0,151977264488,5107,4±2,771,51±0,0133,4±0,291978353487,7109,5±1,671,53±0,0129,5±0,271979459287,6133,8±1,881,54±0,0129,1±0,241980579987,6179,0±2,061,54±0,0157,7±0,571981660984,0200,3±2,121,61±0,0148,6±0,451982767580,2251,9±1,992,72±0,0364,5±0,991983849780,0306,0±2,784,94±0,0540,8±0,5120103549015,4900,2±3,4530,15±0,0957,8±0,6120174250811,01200,0±5,0136,61±1,0245,5±0,77Собственные экспериментальные данные с 1976 по 2017 гг.  По количеству осадков были выделены три типа гидротермических условий: благоприятные – с годовым количеством осадков более 600 мм, средние – 500-600 мм и неблагоприятные – менее 500 мм. В таблице 2 приведены данные наблюдений за динамикой  роста тополя бальзамического на маломощном плодородном слое в условиях  гидроотвала. На основе этих данных можно прогнозировать особенности роста. Обращает на себя внимание тот факт, что наибольшие величины прироста отмечаются не только в годы с максимальным количеством осадков, но и в те годы, которым предшествуют благоприятные гидротермические условия. При этом благоприятные экологические условия в год формирования почек находят отражение в усиленном росте побегов следующего года. В годы с максимальным количеством осадков рост в высоту достигает максимальных значений. Таким образом, можно  выделить довольно четкую закономерность роста насаждений тополя  в зависимости от влагообеспеченности.Также необходимо отметить,  что тополь бальзамический после посадки на поверхности гидроотвала имел высокую сохранность в период с 1976 по 1983 гг, которая составила  89,4-80,0 %.  При этом с 1981 г сохранность культур несколько уменьшилась, а в 1982 и 1983 гг  почти стабилизировалась на отметке 80 %. Изменения сохранности по годам в молодом насаждении обусловлены, главным образом, характером увлажнения и зависят, прежде всего от типа гидротермических условий. Тополь в раннем возрасте слабо реагируют на резкие колебания экологических условий, и величина его сохранности понижается не более чем на 7 %.Обследование изучаемого тополевого насаждения в 2010 году показало, что сохранность тополя резко снизилась до 15,4 %. В 2017 году таксационное обследование в транзитно-аккумулятивной части отвала показало, что оставшиеся экземпляры имеют высоту не более 12,0 м,  средний диаметр – 36,61 см и  растут по III классу бонитета. Таким образом,  в 42-летних насаждениях тополь бальзамический сохранился только в транзитно-аккумулятивной части отвала, а в элювиальной и элювиально-транзитной частях  полностью выпал в связи с несоответствием почвенно-грунтовым условиям.Успешное восстановление посттехногенного ландшафта требует научно-обоснованных мероприятий по созданию высокопродуктивных фитоценозов. Только такие растительные сообщества способны увеличить концентрацию биологически важных питательных элементов, улучшить физическое состояние нанесенного плодородного слоя и, как результат, повысить плодородие субстратов отвала. Кроме того, наиболее продуктивные фитоценозы усиливают баланс углерод-кислород в окружающей среде и, тем самым, способствуют сокращению антропогенного поступления углекислого газа в атмосферу.Для того чтобы определить биологическую продуктивность насаждений тополя бальзамического был произведён  учёт массы органического вещества надземных и подземных органов растений по средним модельным деревьям. Полученные результаты приведены в таблице 3. Анализ экспериментальных данных показывает, что количество органического вещества, синтезированного тополем в возрасте 4 лет, составило 582 г,  к 6 годам этот показатель увеличился до 1051 г, а к 9 годам –  до 1239 г.  По сравнению  с другими породами, тополь бальзамический имеет наименьшие показатели в этом возрасте. Так, например, больше всего органического вещества накапливается в робинии лжеакации (Robinia Pseudoacacia L.), облепихе крушиновидной (Hippophae rhamnoides L.)  и лохе узколистном (Elaeagnus angustifolia L.)  – 2191-2281 г [10].  Из данных таблицы 3 следует, что основную массу органического вещества дает ствол, затем 1/2-1/3 часть – подземная биомасса, менее значительную долю составляют ветви и зеленые ассимилирующие органы.При восстановлении нарушенных земель особое мелиорирующее значение имеют зеленые части растений – листья. Листовой опад оказывает положительное влияние на сохранность и плодородие субстратов на откосах отвалов.  В связи с этим древесные и кустарниковые породы, обладающие наибольшей лиственной биомассой, играют важную роль в преобразовании отвальных земель.  Среди всех исследованных пород в возрасте 9 лет самой большой массой листвы характеризуется лох узколистный – 628 г, в то время  как,   у тополя этот показатель составляет  всего 82 г.Биологическую продуктивность насаждения  (ц/га) можно определить, учитывая начальную плотность посадки (шт/га).  Вычислив общий запас биомассы тополевого насаждения на откосах гидроотвала «Березовый лог», можно сделать некоторые выводы. Общий запас биомассы складывается из надземной и подземной фитомассы, с учётом напочвенного покрова. Полученные результаты представлены в таблице 4.Из таблицы 4 видно, что основная часть биомассы приходится на долю таких компонентов, как: корневые системы – 22,9 и  ствол с ветвями –  29,4 ц/га. То есть, именно в этих  структурных единицах фитоценоза законсервирована большая часть органического вещества. Доля напочвенного покрова в общей биомассе тополевого насаждения – невелика, так моховой покров составляет 5,7 ц/га, а надземная часть трав, произрастающих в междурядьях, составляет 8,0 ц/га. Необходимо отметить, что подземная биомасса трав превышает надземную в два раза и составляет 16,3 ц/га. Зная, что треть корней ежегодно отмирает, можно считать, что в насаждении тополя с травами поступает и активно участвует в обогащении субстрата органическим веществом около 5,4 ц/га органических остатков. Таблица 3  Биомасса модельных деревьев тополя бальзамического (в воздушно-сухом состоянии)Возраст, летНадземная часть, гПодземная часть, гОбщая биомасса, г% листьев от биомассы% корней от биомассылистьяприрост посл. годаветви мелкиеветви крупныестволнадземная биомассакорни мелкиекорни крупныеподземная биомасса461854120031592582675821041672151077463637114034141051739982161184578771154534681239738Собственные экспериментальные данные Таблица 4  Общий запас фитомассы в 9-летнем насаждении тополя на откосах гидроотвала, ц/гаКомпоненты фитомассыОбщий запасФитомассынадземная фитомассаподземная фитомассаЛистьяветви, стволмоховой покровтравымертвый покроввсегокорни деревьевкорни траввсего3,529,45,78,06,252,822,916,339,292,0Собственные данные  По сравнению с изучаемыми ранее породами  в 9-летнем возрасте тополь бальзамический характеризуется наименьшей фитомассой– 92,0 ц/га. В то время как этот показатель в культурах робинии лжеакации составляет 182,2 ц/га,  а в культурах облепихи крушиновой – 143,9 ц/га.  По запасам фитомассы листьев тополь также имеет наименьшее значение –  3,5 ц/га,  тогда как у робинии – 18,4, а у  облепихи – 19,1 ц/га [10]. Таким образом,  мелиорирующую роль листьев в насаждениях тополя можно считать незначительной.Средовая конкуренция при зарастании отвалов на техногенно нарушенных землях может выражаться в угнетении роста и развития корневых систем древесных и кустарниковых пород за счёт высокого прироста корневой массы сорной травянистой растительности. Особенно это характерно для начальной стадии  естественного зарастания нарушенных земель, а также вызывает определённые трудности при лесной рекультивации отвалов.В связи с этим многие отечественные рекультиваторщики, в частности проф. Панков Я.В. утверждал, что «в целях ограничения разрастания сорной растительности в междурядьях следует проводить посев бобовых трав, которые значительно улучшают условия роста и развития деревьев и кустарников за счет вытеснения сорняков и благоприятного воздействия на субстраты» [9].Содержание химических элементов в листьях и мелких корнях тополя, оказывающих прямое влияние на аккумуляцию веществ в субстратах, представлено в таблице 5. Для сравнения приводится также химический состав бобовых многолетних трав и сорного разнотравья. Из таблицы видно, что тополь бальзамический по сравнению с эспарцетом песчаным (Onobrychis arenaria (Kit).DC.)  характеризуется небогатым химическим составом – 4,06  %  на сухое вещество. При этом надо отметить, что в данном случае тополь немного уступает робинии и облепихе. Общее содержание химических элементов в этих породах составляет, соответственно,  5,93 и 5,15 % на сухое вещество [18].    Таблица 5  Содержание химических элементов в растительности на гидроотвалеРастительностьХимические элементы, % на сухое веществоСуммаазотфосфоркалийкальциймагнийкремнийалюминийжелезоТополь бальзамический0,830,380,691,470,240,360,030,064,06Эспарцет песчаный4,020,382,401,520,190,690,150,189,53Разнотравье0,860,201,170,660,280,730,130,114,14Собственные данныеТаблица 6 Содержание тяжелых металлов в ассимилирующих органах растительностиРастительностьТяжелые металлы, мг/кгжелезотитанмарганецникельМедьГидроотвалТополь бальзамический740190842,53,7Эспарцет песчаный620480583,46,6Разнотравье44075403,13,1Зональные почвыТополь бальзамический3001379802,73,9Эспарцет песчаный4103261152,96,0Разнотравье20580732,52,5Собственные экспериментальные данные В насаждении тополя над всеми элементами преобладает кальций, кроме того отмечается высокая концентрация азота и калия. Накопление азота и зольных элементов в биомассе находится в прямой зависимости от общего ее запаса и возрастает с увеличением последней. В 9-летнем насаждении тополя аккумулировано всего 28,23 кг/га азота. Если сравнить с другими породами, то в насаждении робинии содержится 247,98, облепихи – 219,19 кг/га. Из всех химических элементов насаждение тополя максимально накапливает кальций – 69,47 кг/га [10, 17] .В связи с тем, что исследуемая территория находится в зоне импактного загрязнения на территории Губкин-Старооскольского  железорудного района, большой интерес представляет содержание тяжелых металлов в ассимилирующих органах тополя бальзамического. Накопление полютантов и  интенсивность  их биологического поглощения культурами тополя  представляет также интерес с точки зрения возможного очищения почв.Полученные экспериментальные данные приведены в таблице 6.Учитывая, что тополевое насаждение находится в непосредственной близости от железорудного карьера, количество железа в листьях тополя в 2,5 раза превышает соответствующий показатель на зональных почвах, так на гидроотвале – 740, а на зональных почвах – 300 мг/кг. В вегетативной массе эспарцета песчаного и сорного разнотравья  содержание железа также завышено в 1,5-2 раза по сравнению с зональными почвами. Если сравнить накопление железа на гидроотвале, то больше всего данный элемент накапливается в ассимилирующих органах тополя бальзамического, а наименьшее значение характерно для сорного разнотравья.По содержанию титана максимальное значение отмечено у эспарцета песчаного, как на гидроотвале, так и на зональных почвах – 480 и 326 мг/кг соответственно. Содержание таких тяжелых металлов, как  никель и медь в листьях тополя, эспарцета песчаного и сорного разнотравья, произрастающего на отвале, незначительно и колеблется в пределах, близких к зональным условиям.Необходимо отметить, что содержание марганца на зональных почвах значительно превышает этот показатель на нарушенных почвах. Повышенное почти в 12 раз содержание марганца в зональных почвах можно объяснить применением сельскохозяйственных удобрения близлежащими агрохозяйствами.Таким образом, по содержанию тяжелых металлов в биомассе растительности, можно предположить, что повышенное содержании железа и титана, при относительно низком содержании марганца вызывает смещение установившихся соотношений между указанными элементами, которое в дальнейшем может привести к ряду неблагоприятных явлений в физиологических процессах растений [13]. Например, недостаток марганца способствует хлорозу растений, нарушению процессов метаболизма и синтеза хлорофилла. С точки зрения экологического загрязнения, повышенное содержание железа и титана в зеленых ассимилирующих органах тополя и надземной массе трав, не является токсичным.  Общий показатель содержания тяжелых металлов в ассимилирующих органах исследуемых растений ещё не дает полного представления о накоплении и поглощении полютантов в зоне влияния железорудной промышленности. Дальнейшее изучение данной проблемы позволит авторам более детально проанализировать способность различных видов растений к поглощению тех или иных тяжелых металлов.ВыводыТаким образом, проведенные исследования по использованию тополя бальзамического при лесной рекультивации техногенно нарушенных земель позволяют сделать следующие выводы:1. В условиях техногенных ландшафтов возможна закладка насаждений тополя бальзамического укорененными черенками в транзитно-аккумулятивной части откосов отвалов, где приживаемость составляет более 80 %.2. Учитывая, что для успешного восстановления нарушенных земель необходимо создание высокопродуктивных фитоценозов, следует отметить, что количество органического вещества, синтезированного тополем в возрасте 6 лет, в 2 раза меньше, чем робинией лжеакацией, облепихой крушиновой и лохом узколистным.3. Тополь бальзамический характеризуется небольшой фитомассой в 9-летнем возрасте – 92,0 ц/га, из которой 3,5 ц/га составляют листья. Это в 5,6 раз меньше, чем у облепихи и в 5,2 раза меньше, чем у робинии. В связи с этим мелиорирующую роль листьев в насаждениях тополя можно считать незначительной.4. Содержание химических элементов в листьях и мелких корнях тополя, оказывающих прямое влияние на аккумуляцию веществ в субстратах, составляет 4,06 % на сухое вещество. Это в 1,5-1,3 раза меньше, чем у робинии и облепихи, и в 2,3 раза меньше по сравнению с эспарцетом.5. Высокая сохранность, равная 89,4-80,0 %, присуща тополю на протяжении первых восьми лет. К 35 годам она составляет 15,4 %.6. В возрасте 42 лет насаждение тополя имеет сохранность 11,0 %. Оставшиеся экземпляры растут по III классу бонитета, имя среднюю высоту 12,0 м и средний диаметр 36,61 см.7. Несмотря на то, что тополь бальзамический является быстрорастущей древесной породой, в условиях нарушенных земель он не формирует долговечных устойчивых насаждений, и не может быть рекомендован для лесной рекультивации отвалов в техногенных ландшафтах.