ВведениеИнтенсивное освоение природных ресурсов с одновременным ростом технического оснащения современного производства сопровождается всё возрастающим отрицательным воздействием на окружающую среду. Наряду с небольшими техногенными преобразованиями возникают так называемые «техногенные ландшафты», в которых полностью нарушены и видоизменены сложившиеся природные связи. Чаще всего техногенные ландшафты образуются в результате добычи полезных ископаемых и переработки минерального сырья. Примером крупномасштабных техногенных ландшафтов в Центральном ФО являются карьерно-отвальные комплексы, возникшие в результате промышленных разработок Курской магнитной аномалии (КМА). В государственном докладе министерства природных ресурсов РФ отмечается, что «месторождения КМА в 2019 г обеспечивали половину объема добычи железных руд в России, в т. ч. Михайловское месторождение в Курской области – треть; остальное добывается на объектах Белгородской области, в основном, на Лебединском и Стойленском месторождениях» [4].По актуальным данным о состоянии и об охране окружающей среды РФ, «в последние годы сохраняется тенденция к увеличению площади техногенных ландшафтов. Так, по приблизительным подсчетам в 2019 г. площадь нарушенных земель в России составила 1076,9 тыс. га, что на 4,5 тыс. га больше, чем в предыдущем году. С 2010 года площадь нарушенных земель увеличилась на 119,9 тыс. га, в большей степени на землях промышленности и иного назначения» [5].В связи с большой замедленностью процессов саморегуляции в природе для предотвращения необратимых отрицательных изменений в экосистемах необходима активизация направленного преобразования и восстановления нарушенных территорий. Лесная рекультивация позволяет сократить водно-ветровые эрозии отвальных грунтов, снизить уровень вторичного загрязнения прилегающих ландшафтов, а также аккумулировать в многолетних частях древесных растений ряд токсичных элементов [2]. Лесная рекультивация является ведущим направлением восстановления нарушенных промышленностью земель в разных регионах РФ, в частности Кузбассе и других лесных областях, большое внимание уделяется вопросам лесной рекультивации в США и странах Евросоюза [10, 13, 16].Подходы к выбору древесных и кустарниковых пород для лесной рекультивации различны. Например, в США основой для использования той или иной породы является наблюдение за естественным зарастанием отвала, то есть это местные виды деревьев и кустарников [17]. В отечественной практике первостепенное внимание уделяется видам, наиболее устойчивым к сложным экологическим условиям и бедности субстрата. Общим во всех рекомендациях, как отечественных, так и зарубежных, является использование для лесной рекультивации азотфиксирующих растений.Растения семейства бобовых (Fabacea) за счет симбиотических азотфиксаторов способны повышать микробиологическую активность и плодородие почв. Поэтому они часто рекомендуются для проведения работ по восстановлению антропогенно-нарушенных территорий. Среди древесных фитомелиорантов из семейства бобовые можно выделить робинию лжеакацию (Robinia pseudoacacia L.), которая имеет высокую сохранность, продуктивность в условиях техногенных ландшафтов КМА [11]. Под посевами многолетних трав из семейства бобовые, наблюдалось улучшение важных агрохимических показателей нарушенных земель и повышение содержания органического вещества. Среди испытанных трав в условиях КМА хорошо зарекомендовали себя люцерна синегибридная (Medicago hybridum L.), эспарцет песчаный (Onobrychis аrenaria (Kit). DC.) и некоторые другие виды [12].Целью данной работы является оценка сохранности, продуктивности, а также химического состава кустарника семейства бобовых – караганы древовидной на техногенно нарушенных землях КМА за более чем 40-летний период.Материалы и методыКарагана древовидная, или жёлтая акация (Сaragana arborescens Lam.) – кустарник семейства бобовые, достигающий в зональных условиях высоты 5-7 м. Естественный ареал караганы древовидной находится в Западной Сибири (южнее 61°с. ш.), на Алтае, в Саянах до Иркутска, в Восточном Казахстане и Монголии, где вид приурочен к каменистым склонам и скалам. Вторичный ареал караганы древовидной охватывает всю Россию [8]. Неприхотлива к почвенным условиям, хорошо переносит засуху и морозы. Корневая система мощная, в симбиозе с азотфиксирующими бактериями, благодаря чему растение применяется в мелиоративных целях как почвоулучшающая порода.Нетребовательность караганы и способность закреплять склоны позволяет использовать ее при биологической рекультивации отвалов. Исследования по использованию караганы древоводной для лесной рекультивации техногенно нарушенных земель проводились на отвалах Курской магнитной аномалии (КМА). Территория находится в Белгородской области Центрального федерального округа России. Вскрышные породы в отвалах в большинстве своем представлены песками и песчано-меловыми смесями, которые по классификациям Коротаева Г.В. и др (1976), Трещевского И.В. и др. (1978), Стифеева А.И. (1993) относятся к малопригодным породам для биологического освоения [3].Первым опытным объектом является отвал рыхлой вскрыши, сложенный песчано-меловой смесью, имеет высоту 90 м и крутизну откосов35-40°. Примесь к пескам сеномана и апта алевритов, юрских и девонских глин придает отвалу супесчаный, местами легкосуглинистый гранулометрический состав. В толще отвала встречаются фосфориты, сланцы, мел, мергель. До проведения лесной рекультивации на нем интенсивно протекали процессы эрозии и дефляции. Работы по облесению отвала были начаты через 12 лет после его отсыпки. Весной 1972 года на откосе юго-западной экспозиции была произведена закладка опытных насаждений 10 древесных и кустарниковых пород, в том числе караганы древовидной. Сеянцы высаживались вручную, рядами перпендикулярно склону с размещением посадочных мест 2,0 х 0,5 м.Вторым опытным объектом является гидроотвал Березовый лог Лебединского горно-обогатительного комбината. Гидроотвал имеет высоту 40-46 м, крутизну откосов – 6-30°, сложен кварцевыми песками альбского яруса и песчано-глинистыми отложениями апского яруса. Намыты также сеноманские среднезернистые кварцевые пески с включением фосфоритов, в небольших количествах к пескам примешаны куски мела сенонского и туронского ярусов. Для улучшения лесорастительных условий было произведено землевание, т.е. нанесение на поверхность отвала плодородного слоя мощностью 20-80 см. Насаждения караганы древовидной создавались на гидроотвале Березовый лог в 1976 году после проведения землевания. Посадка осуществлялась вручную, размещение посадочных мест 2,0 х 0,5 м.Постоянные пробные площади были заложены, начиная с момента посадки растений. При закладке площадей учитывались 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.Изучение сезонного прироста побегов проводилось по методике Молчанова А.А. и Смирнова В.В. (1967), биомассы – по методике Ремезова Н.П. (1959), корневых систем – по Калинину М.И. (1991), массы листового опада – по рекомендациям Аткина А.С. и Стаканова В.Д. [1]. В листовом опаде в Государственном центре агрохимической службы «Воронежский» определялись показатели по следующим 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 микроэлементов в растениях проводилось атомно-адсорбционным спектрофотометром марки ААС 703 «Перкин-Ельмер» (США) в образцах, отобранных согласно рекомендациям Зырина Н.Г. и Обухова А.И. [6]. Статистическая обработка полученных данных выполнялась с использованием пакета прикладных программ Excel и STATISTICA.Результаты и обсуждениеВпервые на техногенно нарушенных землях КМА карагана была высажена на песчано-меловой смеси отвала рыхлой вскрыши в 1972 году, где показала хорошую приживаемость – 95 %. В 7-летнем возрасте ее сохранность составляла 67,5 %. В этом же возрасте карагана имела следующие биометрические показатели: среднюю высоту – 2,29 ± 0,03 м, средний прирост по высоте – 32,7 см, текущий прирост – 19,8 см, средний диаметр на высоте 0,1 м – 2,56 ± 0,03 см. Однако впоследствии сохранность караганы начала постепенно снижаться. К возрасту 38 лет она полностью выпала в связи с экстремальными условиями нарушенных земель, где лимитирующим фактором является влага.Для повышения запасов влаги и питательных веществ на гидроотвале Березовый лог был сформирован двухкомпонентный технозем путем нанесения на песчано-меловую смесь плодородного слоя разной мощности. Одной из 48 древесных и кустарниковых пород стала карагана древовидная как почвоулучшающая кустарниковая порода. Благоприятные годы, когда количество осадков достигало 640-675 мм, способствовали лучшей приживаемости караганы. Она составляла 85 % на откосе отвала, а на вершине доходила до 90 %. Различий в приживаемости растений, высаженных ручным и механизированным способами, отмечено не было. С 1977 по 2017 годы был проведен мониторинг за насаждениями караганы древовидной с целью ее дальнейшего использования при лесной рекультивации нарушенных земель. Результаты приводятся в табл. 1. Анализ материалов показывает, что карагана древовидная слабо реагирует на колебания экологических условий. Величина ее сохранности понижается всего на 2,6-6,9 %.  Таблица 1 Показатели сохранности и роста караганы древовидной  в зависимости от годового количества осадковTable 1Indicators of preservation and growth of Сaragana arborescens Lam., depending on the annual precipitationГоды | YearВозраст, лет |AgeКоличество осадков, мм | Annual precipitation, mmСохранность, % | Preservation, %Средняя высота, м | Average height, mТекущий прирост по высоте, см | Annual increase in height, cmСредний диаметр, см | Average diameter, cm1977364484,20,56±0,0128,4±0,330,46±0,011978453482,00,98±0,0123,6±0,311,01±0,011979559276,41,18±0,0220,3±0,111,40±0,011980679971,41,28±0,0228,9±0,411,73±0,021981760971,01,40±0,0216,4±0,101,81±0,0220103649035,02,64±0,0310,5±0,093,44±0,0320174350810,73,30±0,038,4±0,094,36±0,03Источник: собственные экспериментальные данные Source: own experimental data Таблица 2Сезонный прирост побегов у караганы древовидной Table 2Seasonal growth of shoots of Сaragana arborescens Lam.Май | MayИюнь | JuneИюль |  July1 декада | 1st decade2 декада | 2 nd decade3 декада | 3d decade1 декада | 1st decade2 декада | 2 nd decade3 декада | 3d decade1 декада | 1st decade2 декада | 2 nd decade3 декада | 3d decadeНарастание побегов* | Growth of shoots*-6,30±0,8730,98,93±0,9743,84,50±0,4322,00,58±0,152,80,04±0,020,20,06±0,040,3--Прирост нарастающим итогом* | Cumulative growth of shoots *-6,30±0,8730,915,23±0,7474,719,73±0,9596,720,31±0,0199,520,35±0,6299,720,41±0,01100--* в числителе – см, в знаменателе – %.  Собственные экспериментальные данныеNote: * in the numerator – cm, in the denominator – %. Source: own experimental dataТаблица 3 Биомасса модельных экземпляров караганы древовидной (в воздушно-сухом состоянии)Table 3Biomass of model exemplars of Сaragana arborescens Lam. (in air-dry state)Возраст, лет |AgeНадземная часть, г | Aboveground biomass, gПодземная часть, г | Underground biomass, gОбщая биомасса, г | Total biomass, g% листьев от биомассы | Percentage of leaves from biomass% корней от биомассы | Percentage of roots from biomass3865514124396283114397282983481555032531Источник: собственные экспериментальные данные Source: own experimental data  Однако в годы с наибольшим количеством осадков наблюдаются большие величины прироста. Что касается сохранности, то максимальная (84,2-82,0 %) отмечается в первые четыре года жизни караганы. Затем она постепенно снижается и резко падает к возрасту 36 лет. К 43 годам насаждение стареет, характеризуется неудовлетворительным ростом и низкой (10,7 %) сохранностью.Одним из показателей интенсивности роста древесных и кустарниковых пород в условиях отвалов является темп прироста в течение вегетационного периода. Прирост характеризует не только жизнедеятельность растения, но и воздействие на него окружающей среды. Наблюдения за сезонным приростом 8-летней караганы приводятся в табл. 2.Из таблицы видно, что рост побегов у караганы начинается только во второй декаде мая. Наиболее активно побеги нарастают в третьей декаде мая – 43,8 %. Максимум, 74,7 %, приходится на конец третьей декады. Завершается же прирост побегов в первой декаде июля. Таким образом, период роста побегов у караганы короткий. Если сравнивать с древесными породами, например с березой, то ее рост в течение вегетационного периода значительно продолжительнее. Наиболее активный прирост у березы наблюдается во второй половине вегетации – 58,2 %. На прирост боковых побегов оказывает влияние смыкание крон в рядах. Пока оно не наступило, ориентация по сторонам света на прирост боковых побегов не оказывает влияния.Общеизвестно, что для успешного восстановления техногенно нарушенных земель необходимо создание фитоценозов, характеризующихся высокой биологической продуктивностью. Они повышают плодородие субстратов и улучшают их физическое состояние. По моделям караганы определена биомасса надземных и подземных органов. Надземная часть включает листья, прирост последнего года, ветви мелкие, ветви крупные, ствол. Подземная часть включает корни мелкие и корни крупные. Данные приводятся в табл. 3. Анализ приведенных данных показывает, что с возрастом количество органического вещества, синтезированного растениями, увеличивается. В возрасте 6 лет средняя масса одного куста караганы составляет всего 503 г. В то же время средняя масса одного экземпляра робинии лжеакации составляет 2264 г, облепихи – 2281 г, лоха узколистного – 2191 г, жимолости татарской – 544 г. Даже по сравнению с жимолостью биомасса караганы меньше на 7,5 %. Карагана в условиях отвально-техногенных ландшафтов формирует небольшую корневую систему, которая располагается в основном в верхнем 40-сантиметровом плодородном слое. Процент ассимилирующих органов у караганы ниже, чем корневых систем. Именно они, образуя подстилку, предохраняют плодородный слой от дефляции и эрозии, а также повышают запасы питательных элементов, т.е. преобразуют отвальные земли.Зная количество растений на 1 га, можно рассчитать общий запас фитомассы на 1 га для отдельных его частей, а также общие запасы органического вещества в насаждении, которые включают и мертвое органическое вещество (табл. 4).  Таблица 4 Общий запас биомассы в 9-летнем насаждении караганы древовидной на откосах гидроотвалаTable 4The total biomass of  9-year-old plantation of Сaragana arborescens Lam. on the slopes of the dumpКомпоненты биомассы | Biomass componentsЗапас, ц/га | Stock, c  ha-1Надземная часть, в том числе | Aboveground biomass, including : листья | leaves4,8ствол, ветви | trunk, branches8,4моховой покров | moss cover9,0травы | grasses13,0мертвый покров | mortmass7,0Итого | Sum:42,2Подземная часть, в том числе | Underground biomass, including : корни караганы | roots of trees5,9корни трав | roots of  grasses21,4Итого | Sum:27,3Общий запас биомассы | Total  biomass69,5Источник: собственные данныеSource: own calculations   Таблица 5 Содержание химических элементов в листьях и мелких корнях караганы древовиднойTable 5The content of chemical elements in the leaves and small roots of Сaragana arborescens Lam.Химические элементы, % на сухое вещество | Chemical elements, percentage on dry matterNSiAlFeCaMgKPСумма | Total4,060,230,070,111,460,620,330,347,22Источник: собственные экспериментальные данные Source: own experimental data  Из табл. 4 видно, что общий запас фитомассы в 9-летнем насаждении караганы составляет 69,5 ц/га. Это в 2,6 раза меньше, чем в насаждении робинии, и в 2,1 раза меньше, чем в насаждении облепихи. Доля листьев и ствола в общей фитомассе составляет 19 %, а доля корней – всего 8,5 %. Основная роль в пополнении запасов фитомассы в насаждении караганы принадлежит корням травянистых растений – 30,8 %. Учитывая, что 1/3 корневых систем ежегодно отмирает, можно считать, что именно они пополняют запасы питательных элементов в техноземах. Отсюда мелиорирующую роль листьев караганы можно считать незначительной. Но травянистые растения являются существенными конкурентами для культурных растений, поэтому необходимо ограничивать их распространение. Одним из способов такого ограничения является посев бобовых трав в междурядьях лесных культур. Знание химического состава растений необходимо при изучении целого ряда биологических проблем. Прежде всего, растительность является важным фактором почвообразовательного процесса и своим составом оказывает влияние на формирование техноземов. В табл. 5 приводится содержание азота и зольных элементов в листьях и мелких корнях караганы.Общеизвестно, что на химический состав растений оказывают влияние климат, химический состав почв и горных пород, видовая принадлежность растений [14, 19]. Карагана древовидная богата минеральными элементами. Ей уступают такие породы, как бузина красная, робиния лжеакация и облепиха крушиновая, содержания химических элементов в которых составляют соответственно 6,90, 5,93 и 5,15 %. Особенно велики в карагане запасы азота – 4,06 %. На втором месте у нее кальций – 1,46 %. Наблюдается также значительное накопление магния – 0,62 %. Такие элементы, как кремний, алюминий, железо, калий и фосфор содержатся в малых количествах – в сотых и реже десятых долях процента. Отсюда видно, что карагана древовидная играет большую роль в накоплении в субстратах отвалов такого важного химического элемента, как азот.Анализ содержания тяжелых металлов в растениях гидроотвала «Берёзовый лог» проводился по среднему содержанию тяжелых металлов в надземной массе растений караганы, для сравнения также приводится среднее содержание тяжелых металлов в ассимилирующих органах караганы на зональных землях (табл. 6).Микроэлементный состав растений (в т.ч. содержание тяжелых металлов) в большей степени зависит от геохимических особенностей ландшафта [9]. В связи с тем, что отвал находится в зоне горнорудного производства, содержание железа и титана превышает содержание этих элементов в ассимилирующих органах караганы, произрастающей на зональных почвах, соответственно в 4 и в 1,8 раза. По данным Копыловой Л.В. (2010 г.), карагана древовидная является активным накопителем железа в листьях, что также подтверждается нашими экспериментальными данными [7].Различий в содержании никеля и меди практически не наблюдается. А содержание марганца на зональных почвах в 10,6 раза больше, чем в карагане, произрастающей на отвале. Марганец является важным микроэлементом, который необходим для нормального роста и развития растений и других живых организмов. Тем не менее, его избыток отрицательно влияет на физиологические процессы [15]. Таблица 6 Содержание тяжелых металлов в ассимилирующих органах караганы древовидной Table 6The content of heavy metals in the assimilating organs of Сaragana arborescens Lam.Тяжелые металлы, мг/кг | Heavy metals, mg  kg-1FeTiMnNiCuГидроотвал «Березовый лог» | dump “Berezovy log”960310763,97,5Зональные почвы | Zonal soils2401718103,07,0Источник: собственные экспериментальные данные Source: own experimental data Таблица 7Содержание химических элементов в разных фракциях биомассы караганы древовиднойTable 7The content of chemical elements in different fractions of the biomass of Сaragana arborescens Lam.Фракциибиомассы | FractionsbiomassХимические элементы, кг/га | Chemical elements, kg ha-1NPKCaMgSiFeAlсумма |totalЛистья | Leaves26,641,631,7817,524,560,530,430,2953,38Ветви | Branches13,442,101,264,791,180,840,660,3324,60Итого надземная часть | Total aboveground biomass: 40,082,733,0422,315,741,371,090,6277,98Корни мелкие  |  Small roots9,020,560,721,670,510,700,300,1913,67Клубеньки | Nodules12,820,220,240,710,460,580,190,1715,39Корни крупные | Large roots14,721,711,462,440,561,200,300,2122,60Итого подземная часть | Total underground biomass: 36,562,492,424,821,532,480,790,5751,66Всего  | Total:76,646,225,4627,137,273,851,881,19129,64Источник: собственные экспериментальные данные Source: own experimental data  Таким образом, карагана древовидная является активным накопителем железа на техногенно нарушенных землях. Учитывая близость горнорудного производства, фоновые концентрации по всем исследованным микроэлементам в ассимилирующих органах караганы превышены, но не токсичны. Дальнейшего изучения требует вопрос о специфической аккумуляции тяжелых металлов в зависимости от содержания их в субстратах нарушенных земель и видовой принадлежности растений.Накопление азота и зольных элементов в биомассе зависит от ее запаса. Содержание химических элементов в разных частях 9-летних культур караганы приводится в табл. 7. Из таблицы видно, что значительная часть химических элементов приходится на зеленые части растений. С листьями поступает: азота – 26,64 кг/га, калия – 1,78 кг/га, кальция – 17,52 кг/га и магния – 4,56 кг/га. В корнях пород-азотонакопителей, которой и является карагана, сосредоточены большие запасы азота. Причем более половины всего количества аккумулируется в мелких корнях. При их отмирании азот поступает непосредственно в субстрат, повышая запасы этого элемента. Содержание фосфора, кремния, железа и алюминия в надземных и подземных органах караганы отличается незначительно.Сумма химических элементов в 9-летнем насаждении караганы составляет 129,64 кг/га. С надземной частью поступает более 60 % всего количества. Если сравнить карагану с другими породами, то в насаждении робинии лжеакации накапливается 589,29 кг/га химических элементов, облепихи – 384,31, а сосны – 66,55 кг/га [18].ВыводыТаким образом, на основе полученных данных, можно сделать следующие выводы:1. Карагана древовидная применяется для биологической рекультивации техногенно нарушенных земель как почвоулучшающая порода-азотонакопитель.2. На песчано-меловой смеси отвала рыхлой вскрыши в 7-летнем возрасте карагана имела сохранность 67,5 %, которая в дальнейшем снижалась в связи с экстремальными условиями нарушенных земель, и к возрасту 38 лет карагана полностью выпала.3. Для улучшения лесорастительных условий на гидроотвале были сформированы двухкомпонентные техноземы путем нанесения на песчано-меловую смесь плодородного слоя мощностью от 20 до 80 см. Насаждение караганы на двухкомпонентных техноземах также характеризуетсянеудовлетворительным ростом и низкой сохранностью – 10,7 % к 43 годам.4. Сезонный рост является показателем интенсивности роста растений в условиях отвалов. Карагана характеризуется коротким периодом роста побегов – со второй декады мая по первую декаду июля.5. Для успешной реабилитации техногенно нарушенных земель необходимо создание фитоценозов, характеризующихся высокой биологической продуктивностью. Карагана в условиях отвально-техногенных ландшафтов формирует небольшие запасы биомассы. По сравнению с другими испытанными породами в 6-летнем возрасте биомасса караганы в 4-4,5 раза ниже, чем у робинии лжеакации, облепихи крушиновой и лоха узколистного.6. От химического состава растений зависит аккумуляция веществ в техноземах. В листьях и мелких корнях караганы содержится 4,06 % азота, поэтому она играет большую роль в обогащении субстратов отвалов этим макроэлементом.7. Содержание железа в ассимилирующих органах караганы на отвале превышает содержание этого элемента в карагане, произрастающей на зональных почвах, в 4 раза. Карагана древовидная является активным накопителем железа на техногенно нарушенных землях. 8. Общее содержание химических элементов в 9-летних культурах караганы составляет 129,64 кг/га. По накоплению азота и зольных элементов необходимо отметить  большие запасы азота в корнях караганы – 36,56 кг/га. По сравнению с другими испытанными породами карагана уступает по сумме химических элементов в 3-4 раза робинии лжеакации и облепихе крушиновой.Проведенные исследования и полученные выводы позволяют сделать следующие рекомендации производству: использовать карагану древовидную при лесной рекультивации техногенных ландшафтов целесообразно только при смешении с более ценными породами.