Содержание к диссертации
Введение
1. Природные условия и лесной фонд района исследований 8
1.1. Географическое местоположение 8
1.2. Климат 8
1.3. Рельеф и почвы 12
1.4. Краткая характеристика лесного фонда района исследований 15
Выводы 19
2. Состояние изучаемой проблемы 21
3. Программа, методика исследований и объем выполненных работ. 35
3.1. Программа исследований 35
3.2. Методика исследований 36
3.3. Объем выполненных работ 43
4. Характеристика экспериментальных объектов 45
4.1. История освоения месторождений полезных ископаемых в районе исследований 45
4.2. Характеристика отвалов отходов добычи и обогащения полезных ископаемых 51
Выводы 57
5. Естественная рекультивация нарушенных земель в районе исследований 59
5.1. Анализ естественной рекультивации выработанного карьера асбестовых руд 59
5.2. Количество и состояние подроста на первых этапах естественной рекультивации отвалов 66
5.3. Влияние доли глинистых частиц на показатели естественного лесовозобновления 78
5.4. Характеристика живого напочвенного покрова при естественной рекультивации 89
Выводы 96
6. Искусственная рекультивация отвалов складирования отходов добычи и обогащения полезных ископаемых 99
6.1. Опыт создания лесных культур на рекультивированном отвале 99
6.2. Эффективность внесения нетрадиционных удобрений в целях ускорения естественной рекультивации 112
6.3. Использование рекультивированных объектов добычи полезных ископаемых 140
Выводы 144
Заключение 147
Рекомендации производству 150
Список литературы 152
- Климат
- Характеристика отвалов отходов добычи и обогащения полезных ископаемых
- Характеристика живого напочвенного покрова при естественной рекультивации
- Эффективность внесения нетрадиционных удобрений в целях ускорения естественной рекультивации
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Добыча полезных ископаемых неразрывно связана с изъятием земель под карьеры, отвалы вскрышных пород и отходов обогащения руды. Нарушенные земли на многие годы исключаются из хозяйственного использования, а нередко ухудшают экологическую обстановку в районе разработки месторождений полезных ископаемых. Проблема усугубляется тем, что естественная рекультивация отвалов, где складируются отходы добычи и обогащения полезных ископаемых, растягивается на многие десятилетия, а искусственная сдерживается недостатком научно-обоснованных методик ее проведения с учетом вида добываемого сырья и природно-экономических условий региона. В частности, в научной литературе практически отсутствуют работы по изучению эффективности рекультивации земель при разработке месторождений хризотил-асбеста и тантал-бериллия, несмотря на то, что площадь таких земель превышает многие тысячи гектар.
Необходимость оперативной рекультивации нарушенных земель и вовлечения их в хозяйственный оборот определила актуальность работ и направление наших исследований.
Степень разработанности темы исследований. Исследования по вопросам рекультивации нарушенных земель, как в нашей стране, так и за ее пределами ведутся уже многие сотни лет. Библиография работ по проблеме рекультивации отвалов отходов добычи и обогащения полезных ископаемых насчитывает тысячи работ. Имеют место работы по лесохозяйственному направлению рекультивации и на Урале. Однако в научной литературе крайне ограничено количество публикаций по рекультивации отвалов и карьеров, образовавшихся в процессе разработки месторождений хризотил-асбеста и тантал-бериллия.
Диссертация является законченным научным исследованием.
Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось установление эффективности естественной и искусственной лесной рекультивации отвалов отходов добычи и обогащения руд на месторождениях хризотил-асбеста и тантал-бериллия и разработка на этой основе предложений по ускорению вовлечения в хозяйственный оборот нарушенных земель.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучить эффективность естественной рекультивации отвалов отходов добычи и обогащения руд на месторождениях хризотил-асбеста и тантал-бериллия;
изучить эффективность лесохозяйственного направления рекультивации путем создания искусственных насаждений;
изучить эффективность внесения нетрадиционных удобрений в целях содействия естественной рекультивации;
разработать предложения по ускорению передачи нарушенных земель в хозяйственный оборот.
Научная новизна. Впервые выполнено комплексное исследование эффективности естественной рекультивации отвалов и карьеров добычи полезных ископаемых на месторождениях хризотил-асбеста и тантал-бериллия; установлена эффективность увеличения доли глинистых частиц в составе отвалов, а также внесения нетрадиционных удобрений для ускорения их зарастания древесно-кустарниковой и травянистой растительностью.
Теоретическая и практическая значимость. Разработаны предложения по ускорению процессов естественной и искусственной рекультивации нарушенных земель на месторождениях хризотил-асбеста и тантал-бериллия и вовлечению их в хозяйственный оборот; предложены рекомендации производству по биологической рекультивации нарушенных земель, включающие создание лесных культур сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и внесение нетрадиционных удобрений; установлены значения содержания глинистых частиц в отвалах, обеспечивающие ускоренную естественную их рекультивацию.
Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров направления 35.03.01 и 35.04.01 «Лесное дело».
Заложенные в ходе исследований постоянные пробные площади переданы в банк научно-производственных объектов для осуществления экологического мониторинга.
Методология и методы исследований. Исследования базируются на методах активного эксперимента и пробных площадей (ПП). Последние закладывались в соответствии с требованиями ОСТ 56-69-83 и методическими рекомендациями (Бунькова и др., 2011; Данчева, Залесов, 2015).
Положения, выносимые на защиту:
виды и дозы нетрадиционных удобрений, внесение которых обеспечивает ускорение процессов естественной рекультивации;
доля глинистых частиц в содержании отвалов, обеспечивающая успешность естественной рекультивации;
рекомендации по проведению биологической рекультивации путем создания лесных культур;
предложения по вовлечению рекультивированных земель в хозяйственный оборот.
Степень достоверности и апробация результатов. Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается значительным объемом материалов, полученных в процессе проведения комплексных исследований с соблюдением широкоизвестных апробированных методик, а также обработанных с применением современных математических методов и прикладных программ.
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на XI Международной науч.-техн. конф. «Лесная наука в реализации концепции уральской инженерной школы: социально-экономические и экологические проблемы
лесного сектора экономики» (Екатеринбург, 2017); X всерос. науч. конф. с меж-дунар. участием «Биологическая рекультивация нарушенных земель» (Екатеринбург, 2017); науч. - практ. конф. «Промышленный подход к использованию вторичных ресурсов. Вопросы организации и функционирования отходоперераба-тывающих производств» (Екатеринбург, 2017); Междунар. науч.-практ. конф. «Лесная наука Казахстана: достижения, проблемы и перспективы развития» (Щучинск, 2017); междунар. науч. - практ. конф. «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития» (Брянск, 2017), XIV Всерос. науч.-техн. конф. «Научное творчество молодёжи - лесному комплексу России» (Екатеринбург, 2018).
Основное содержание диссертации изложено в 15 печатных работах, в том числе в 4 статьях, опубликованных в рецензируемых журналах (список ВАК).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав основного текста, заключения и приложения. Библиографический список включает 207 наименований, в том числе 16 на иностранных языках. Текст диссертации изложен на 174 страницах и проиллюстрирован 35 таблицами и 52 рисунками.
Климат
Климат территории района исследований резко континентальный. Формирование климата происходит под воздействием трех типов воздушных масс: с севера относительно сухих и холодных, с юга сухих и теплых, с запада влажных и прохладных. Территория Урала является естественной границей между Русской и Западно-Сибирской равнинами, оказывающими сильное влияние орографии на климат. Невысокая горная цепь Урала не оказывает существенного влияния на продвижение воздушных масс к востоку, однако замедляет и нередко останавливает продвижение циклонов. Что приводит к большему выпадению осадков на западном склоне, чем на восточном и в Зауралье (Горча-ковский, 1956; Зубарева, 1970).
Однако цепь Уральских гор не препятствует продвижению циклонов в северном и южном направлениях. В зимний период арктический холодный воздух часто проходит далеко на юг, а в летний период сухой и теплый воздух перемещается с юга на север (Справочник …, 1966 а, б; 1968). Такое перемещение воздушных масс более выражено в осенне-летний период с восточной стороны Уральских гор. Данное явление вызывает неустойчивую погоду в осенне-летний период и возврат холодов весной.
Повторяемость направления ветров и штилей в районе исследования, по данным метеорологических наблюдений метеостанции Артемовский, представлена в таблице 1.1.
Из приведенной таблицы 1.1 следует, что в районе исследования преобладают ветра западных и юго-западных направлений - 39%, реже - северных и восточных направлений - 28% от годового направления ветров. Минимальной частотой характеризуются ветры восточных направлений - 4% (Агроклиматический справочник …, 1962; Гулинова, 1974). Северные и северо-западные ветры летом являются причиной резких похолоданий, зимой холодную и сухую погоду приносят ветра западного и юго-западного направлений.
Из приведенных в таблице 1.2 материалов следует, что среднегодовая скорость ветра на территорий района исследований по данным метеостанции Артемовской составляет 4,2 метра в секунду. В летние месяцы средняя скорость ветров заметно снижается и составляет 3,5 м/с, а в зимние месяцы средняя скорость ветров возрастает и составляет 4,7 м/с.
Среднемесячные климатические данные приведены в таблице 1.3.
Согласно данных таблицы 1.3 зима на территории района исследований длится пять месяцев с ноября по март. Весна длится, около двух месяцев в это время происходят утренние и ночные заморозки. Средняя температура воздуха в летние месяцы 230 С. Также в летние месяцы нередко бывает жаркая сухая погода, с понижением влажности воздуха до 20-30% (Мошкин и др., 1970). Со второй половины июля начинается плавное снижение температуры воздуха, а во второй половине августа наблюдаются слабые заморозки. Поздние весенние заморозки, продолжающиеся до начала июня во время цветения сосны и ели, отрицательно влияют на цветы и завязи, а также снижают урожай семян. Поздние весенние и ранние осенние заморозки вызывают у сеянцев хвойных пород пожелтение и опадение хвои, а также повреждение побегов.
Для организации ведения научно-обоснованного лесного хозяйства, большой интерес имеет продолжительность вегетационного периода. Начало и конец вегетационного периода обусловлены среднесуточными температурами воздуха - плюс десять градусов Цельсия, и температурой почвы - плюс пять градусов Цельсия (Ткаченко, 1955). Продолжительность вегетационного периода на территории района проведения исследований составляет, в среднем, 110-119 дней (Нагимов, 2000).
Одновременно с температурой почвы и воздуха, большое влияние на развитие растений оказывает количество и регулярность выпадения осадков. Влага на Средний Урал поступает в основном с Атлантическими циклонами, а также незначительная часть влаги поступает в регион с полярными циклонами. Среднегодовое количество осадков в районе исследований составляет 498 мм. Выпадение осадков по временам года неравномерное, о чем свидетельствуют данные таблицы 1.3. Максимальное количество осадков выпадает в летний период. Доля летних осадков составляет 44% от их годового объема. В зимний период выпадает всего 13% осадков.
Успешность акклиматизации растений и лесовосстановления в значительной степени зависит от глубины снежного покрова, динамики его образования и таяния (Рихтер, 1948). Снежный покров, в районе проведения исследований, неустойчив на протяжении второй половины октября. В первой же декаде ноября образуется устойчивый снежный покров, который весной, к моменту таянья, достигает высоты на лесных прогалинах 40-45 см.
Наибольшее количество осадков в виде снега выпадает в декабре. Продолжительность устойчивого снежного покрова в районе исследований составляет в среднем 160-161 день. В весенний период происходит быстрое тая-нье снега, продолжительностью в среднем двенадцать дней. В районе проведения исследования возможны также осадки в виде мокрого снега вплоть до первой декады июня (Степанов, 1956, 1964; Кувшинова, 1968).
По приведенным выше данным можно сделать вывод о том, что климат района исследований континентальный (Кайгородов, 1955; Справочник …, 1965; 1966 б; Агроклиматический справочник, 1966; Агроклиматические ресурсы …, 1978). Однако для района исследований характерно благоприятное сочетание двух факторов: тепла и влаги. Данное сочетание оказывает положительное влияние на произрастание высокополнотных хвойных древостоев (Залесов, Луганский, 2002).
Характеристика отвалов отходов добычи и обогащения полезных ископаемых
Около половины земель, находящихся в эксплуатации комбината «Ура-ласбест», занято отвалами вскрышных пород и отходов обогащения асбестовых руд. Вскрышные породы размещаются как на существующих отвалах, так и на вновь организованных временных внутрикарьерных отвалах.
Общее представление о площади и характеристиках отвалов ОАО «Ура-ласбест» позволяют получить материалы, приведенные в таблице 4.1.
Материалы табл. 4.1 свидетельствуют, что площадь отвалов составляет 2217,4 га. Кроме того, 84 га занимают отвалы на территории карьера. Особо следует отметить, что в лесной фонд в 2003 г. был передан отвал площадью 827,4 га на территории южного участка Баженовского месторождения хризотил-асбеста, а также имеется карьер, эксплуатация которого была закончена в 1917 г.
Основной объем экспериментальных исследований выполнен на отвале № 3, Восточном отвале, карьере, оставленном под естественную рекультивацию 100 лет назад, и отвале № 10 вскрышных пород ОАО «Малышевское рудоуправление».
Отвал № 3 представляет собой техногенный объект, образовавшийся в результате сухого складирования вскрышных пород Баженовского месторождения хризотил-асбеста и отходов обогащения. Отвал шириной до 2 км, длиной до 3,5 км имеет площадь 188 га и высоту до 60 м. Отвал находится в 0,5 км западнее карьера и в 0,5 км севернее поселка 101-й квартал. Отвал отсыпан вскрышными и вмещающими породами и отходами обогащения асбестосодер-жащих руд. Началом формирования отвала был 1951 год. При общей площади отвала в настоящее время 188,0 га, 7,9 га занято заводом «Промтехвзрыв» и полигоном уничтожения отходов взрывчатых веществ. Отсыпка отвала завершена в 1979 г. По данным на 1.01.2017 г. в отвале имеется 453,1 млн. т отходов добычи асбестовых руд. Указанные отходы представлены вскрышными породами (361,3 млн. т), отходами обогащения (53,0 млн. т) и бедными рудами (38,8 млн. т).
Вскрышные и вмещающие породы, а также отходы обогащения транспортировались на отвал железнодорожным транспортом. После завершения складирования производилась планировка, в результате которой поверхность отвала представляет собой относительно ровную площадку. При этом местами наблюдаются выемки, гребни, спланированные и очищенные площадки.
Породы, слагающие отвал № 3 представлены:
- перидотитами (до 41%), породообразующими минералами которых являются: оливин, антигорит, ромбический пироксен, энстатит; второстепенными и акцессорными - магнетит, лизардит, хромшпинелиды;
- серпентинитами (до 35,6%), породообразующими минералами которых являются: лизардит, антигорит, второстепенными и акцессорными – магнетит, карбонат, хлорит, тальк, амфибол, брусит, хромшпинелиды;
- тальк - карбонатными породами (до 11,1%), породообразующими минералами которых являются: карбонат, тальк, второстепенными и акцессорными – магнетит, хлорит, эпидот, плагиоклаз, серпентин, кварц, лейкоксен, хромшпинелиды;
- диоритами (до 8%), породообразующими минералами которых являются: плагиоклаз, роговая обманка, кварц;
- габбро (до 4,3%), породообразующими минералами которых являются: плагиоклаз, пироксен.
По минеральному составу, для данного объекта характерно преобладание силикатов группы серпентина (хризотил, лизардит, антигорит), оливина и пироксена. В качестве примеси в отвале присутствуют: магнитит, брусит, магнезиальные карбонаты, тальк, хлориты и некоторые другие.
Складируемые в отвал обогащенные породы по химическому составу представлены в таблице 4.2 .
Складируемые в отвале породы практически не содержат меди, цинка, свинца, серы, фтора, бора, селена являющихся основными минеральными компонентами, определяющими природную и техногенную экологически опасную минерализацию подземных вод.
Неоднородность территории отвала № 3 позволяет выделить восемь различных по характеру участков общей площадью 180,1 га:
I - участок расположен в северо-западной части отвала. Поверхность спланирована при формировании отвала, но местами наблюдаются неровности. По всему участку произрастают деревья сосны и березы. Поверхность отвала частично покрыта слоем гумуса. Толщина гумуса 5-10 мм. Площадь 20,0 га.
II - участок у северо-западного откоса отвала (вытянут вдоль верхней бровки откоса). Имеются выемки и спланированная поверхность. Растительность выражена слабо. Гумусный слой не наблюдается. Площадь 7,0 га.
III - участок в центральной части отвала (вытянут с севера на юг). Имеются выемки и спланированная поверхность. Растительность выражена слабо.
Гумусный слой не наблюдается. Площадь 15,5 га. IV - участок расположен на втором ярусе восточной части отвала. Поверхность спланирована. По участку пролегают две грунтовые автодороги.
Практически вся поверхность покрыта растительностью (сосна и береза). Поверхность отвала частично покрыта слоем гумуса, с ориентировочной толщиной 5-10 мм. Площадь 22,16 га.
V - участок расположен на первом ярусе восточной части отвала. Поверхность спланирована. По участку пролегает грунтовая автодорога, в северной части располагается полигон сжигания отходов при производстве взрывчатых веществ. Практически вся поверхность покрыта растительностью (соснами и березами). Частично покрыта гумусом. Толщина гумусного слоя 5-10 мм. Площадь 22,2 га.
VI - участок расположен в центральной части отвала. Представляет собой котлован с относительно ровным дном, на котором густо произрастают деревья. Поверхность отвала частично покрыта слоем гумуса с ориентировочной толщиной 20-30 мм. Площадь 2,5 га.
VII - участок расположен в юго-западной части отвала. Поверхность спланирована. По участку проложена теплотрасса и технологическая автодорога. Практически вся поверхность покрыта растительностью (соснами и березами). Частично покрыта слоем гумуса с ориентировочной толщиной 5-10 мм. Площадь 30,2 га.
VIII - откосы отвала (1 и 2 ярус). Угол внешних откосов достигает 40 градусов. Практически вся поверхность не подверглась зарастанию. Гумусный слой отсутствует. Площадь 60,54 га.
Южная часть Восточного отвала формировалась Южным рудоуправлением ОАО «Ураласбест». Земельный участок, занятый Южной частью Восточного отвала, площадью 919 га до 2003 года находился в пользовании ОАО «Ураласбест». В 2003 году часть земель Южной части Восточного отвала в размере 827,4 га ОАО «Ураласбест» передал в государственный лесной фонд. Данный объект эксплуатировался с 1946 г. по 1997 г. Южная часть Восточного отвала имеет уплощенную, вытянутую в субмеридиональном направлении форму протяженность 3,2 км, ширина в северной части 3,2 км, в южной части 1,2 км. В отвале выделяют три уступа (яруса): первый высотой 45-5 0 м , в т о р о й 25м, третий 35 м.
Отвал образовался в результате сухого складирования вмещающих пород и отходов обогащения при добыче хризотил - асбеста Боженовского месторождения и сложен обломками преимущественно ультрабазитов, реже гра-нитоидов и габброидов.
Вмещает в себя по данным отчета ОАО «Ураласбест» по форме 71-ТП на 01.01.2003 года: вскрышные породы 1500 млн. т., бедные руды 17,484 тыс.т.
Ярусы отвала сложены обломками перидотитов (45%), серпентинитов (40%), дунитов (7%), габбро (5%), диоритов (1%), и глинистыми породами (2%).
Породы отвала имеют устойчивое состояние, практический не затронуты выветриванием, характеризуются следующими показателями кусковато-сти: содержание кусков менее 5 см -25, 5-10 см – 31, 10-20 см – 28, 20-50 см – 6, более 50 см – 11%.
Отвал № 10 вскрышных и пустых пород ОАО «Малышевское рудоуправление» образовался путем сухого складирования пустых пород с тан-тало-бериллиевого месторождения «Квартальное», входящего в группу редко-метальных месторождений гранитных пегматитов Адуйского рудного поля.
Характеристика живого напочвенного покрова при естественной рекультивации
Общеизвестно, что в природе имеют место смены растительности, обусловленные различными причинами (Луганский и др., 2010). Согласно В.Н. Сукачёву (Коновалов и др., 1981) в природе довольно часто наблюдается сингенетическая смена растительности, т.е. смена растительности на новых почвах. Сингенетические смены длятся от десятков до нескольких сотен лет. В качестве примера сингенетической смены растительности можно привести зарастание аллювиальных наносов в поймах рек, когда растительность галечников сменяется лугом. Луговые травы вытесняются ивняками, а затем мягко-лиственными древесными растениями, которые, в свою очередь, сменяются темнохвойными древесными породами.
Зарастание нарушенных земель или естественная рекультивация является примером сингенетической смены растительности. При оставлении нарушенных земель, в частности отвалов горнорудной промышленности, без искусственной рекультивации под естественное зарастание, чаще всего на первом этапе наблюдается появление травянистой, лишайниковой и моховой растительности (рис. 5.20, 5.21). Затем после накопления на поверхности отвала гумусового горизонта наблюдается появление древесной растительности. В ряде случаев формирование древесной и травянистой растительности идет параллельно. Последнее, прежде всего, наблюдается на участках, где снег с поверхности отвала не сдувается или в составе верхних слоев отвала имеет место значительное количество глинистых частиц.
Для установления объективной картины формирования живого напочвенного покрова (ЖНП) на поверхности отвала месторождения хризотил-асбеста нами на трёх уравнениях южной части восточного отвала заложены учётные площадки и определён видовой состав и надземная фитомасса видов ЖНП.
Учетные площадки по изучению видового состава и надземной фито-массы живого напочвенного покрова закладывалась с учетом сформировавшихся на отвале молодняков, таксационные характеристики которых приведены в таблице 5.3, как отмечалось ранее, указанные молодняки сформировались в наиболее благоприятных для произрастания древесной растительности участках отвала. ПП-1 и 2 были заложены на первом уровне, ПП-3 и 4 – на втором и ПП-5 и 6 на третям уровне южной части Восточного отвала.
Поскольку зарастание отвала идет мозаично помимо учетных площадок, заложенных на пробных площадях, нами закладывались учетные площадки на трансектах, расположенных на разном расстояний от склона отвала. Расстояние между учетными площадками на трансектах было постоянным, что обеспечило объективность данных.
Выполненные исследования показали, что видовой состав ЖНП на поверхности отвала довольно беден. Так, в частности на первом уровне отвала количество видов ЖНП не превышает 13 (табл. 5.11).
Материалы табл. 5.11 свидетельствуют, что ЖНП на отвалах характеризуется высокой вариабельностью. Так, вблизи склона на первом уровне отвала (ПП1 и ПП2) надземная фитомасса ЖНП варьируется от 107,08 до 577,72 кг/га в абсолютно сухом состоянии.
При этом на указанных ПП количество видов ЖНП варьируется от 8 до 10. По мере удаления от склона отвала количество видов ЖНП сокращается до 4 при варьировании надземной фитомассы в абсолютно сухом состоянии 187,58-342,09 кг/га.
Наиболее толерантными на первом уровне отвала являются зеленые мхи, лишайники и иван-чай узколистный, которые встречаются на обоих ПП и трансектах. Особо следует отметить, что доминируют в ЖНП на первом уровне отвала зеленые мхи, на долю которого приходится от 79,92 до 96,62% общей надземной фитомассы ЖНП в абсолютно сухом состоянии.
Несколько иначе идёт процесс формирования ЖНП на втором уровне Восточного отвала месторождения хризотил-асбеста.
Согласно материалам таблицы 5.12 на втором уровне отвала месторождения хризотил-асбеста количество видов ЖНП варьируется от 3 до 10. При этом минимальным количеством видов характеризуется край отвала, граничащий с откосом, где снег в зимний период сдувается ветром.
Вблизи склона отвала (ПП - 3 и ПП - 4) количество видов ЖНП составляет 7-10 шт при общей надземной фитомассе 122,67-179,85 кг/га в абсолютно сухом состоянии. Особо следует отметить, что максимальной надземной фи-томассой ЖНП характеризуется трансекта в 18 м от склона - 579,45 кг/га.
Общим для первого и второго уровней отвала является доминирование в ЖНП мхов. Их доля на втором уровне отвала составляет от 50,60 до 98,63% в общей надземной фитомассе ЖНП в абсолютно сухом состояний. В то же время на втором уровне уменьшается участие лишайников и иван-чая узколистного. Особо следует отметить, что среди видов ЖНП на втором уровне отвала зафиксированы типичные лесные виды, такие как грушанка круглолистная, земляника лесная.
Видовой состав ЖНП на третьем уровне отвала оказался ещё более бедным. Здесь насчитывается лишь 9 видов ЖНП, при этом варьирование видов по пробным площадям и трансектам от 1 до 6. Надземная фитомасса ЖНП в абсолютно сухом состоянии на третьем уровне отвала также значительно меньше, чем на первом и втором (табл. 5.13).
Общим на всех уровнях отвала месторождений хризотил-асбеста является доминирование в ЖНП зеленых мхов, слоевища которых формируются на поверхности отвала. Второе место по надземной фитомассе в абсолютно сухом состоянии и встречаемости занимают лишайники. Все остальные виды представлены отдельными экземплярами или мелкими группами.
Живой напочвенный покров на всех уровнях отвала хризотил-асбеста не создает сплошного покрова, т.е. задернения и не оказывает существенного отрицательного влияния на лесовозобновление. Напротив, закрепляя почву ЖНП минимизирует смыв мелкозема с поверхности отвала при ливневых осадках и таянии снега. Кроме того, отмирая ЖНП формирует на поверхности отвала плодородный слой почвы. Минимальное количество питательных веществ и плохой гидрологический режим, формирующийся на поверхности отвала, объясняет доминирование в ЖНП мхов и лишайников на всех уровнях. Именно мхи и лишайники, получая основную долю питательных веществ для своего роста из воздуха, способны существовать на отвалах при первой (начальной) стадии их естественной рекультивации.
Анализ формирования ЖНП на поверхности отвала свидетельствует, что данный процесс протекает крайне медленно. При оставлении отвалов под естественное заращивание на формирование древесной растительности естественной для района проведения исследований уйдут многие десятилетия. Зарастание отвалов идёт неравномерно. Особенно неблагоприятные условия складываются в непосредственной близости от кромки отвала, где условия произрастания для растительности наиболее жёсткие.
Анализ надземной фитомассы и видового разнообразия ЖНП позволяет констатировать необходимость принятия мер по искусственной рекультивации нарушенных земель на месторождениях хризотил-асбеста.
Эффективность внесения нетрадиционных удобрений в целях ускорения естественной рекультивации
При разработке способов рекультивации важнейшими характеристиками являются агрохимические свойства наносимого на поверхность нарушенных земель, в том числе промышленных и горных отвалов, рекультиваци-онного слоя. Выполненные в различных регионах страны исследования (Тар-чевский, 1970; Махнев и др., 2002; Чайкина, Объедкова, 2003) показали, что в районах с дефицитом плодородного слоя почв применение способов рекультивации основанных на использовании больших объемов потенциально-плодородных пород не являются приемлемыми. Кроме того, отсыпка толстого слоя потенциально плодородного грунта на поверхность отвалов вскрышных пород, в частности, связана со значительными трудовыми и финансовыми затратами. Существенные проблемы возникают также при снятии, сохранении и нанесении на поверхность нарушенных земель поверхностного плодородного слоя почвы. При этом, созданные техногенезы, несмотря на некоторое подобие естественным почвам, значительно отличаются по свойствам и режимам функционирования от почв, распространенных на прилегающих ненарушенных участках.
Указанное в совокупности вызывает необходимость поиска путей минимального землевания при разработке способов рекультивации. Последнее достигается использованием удобрений, в том числе нетрадиционных.
В частности, ряд авторов предлагает использовать в качестве нетрадиционных удобрений осадок сточных вод (Schaefer, 1999; Haumbold-Rosar, Katzur, 2000; Водолеев и др., 2003; Eitminavieiut et al., 2005; Курицин, 2009; Кураев, Мартынюк, 2012; Баранов и др., 2017).
Эффективным способом рекультивации отвалов алмазных карьеров Якутии является покрытие поверхности отвалов слоем старики (прошлогодняя трава) (Миронова, 2017). Близкий способ, основанный на использовании в качестве покрытия нарушенных земель травяно-семенной массы, применяется при восстановлении степной и пастбищной растительности (Дзыбов, 1979; Шамсутдинов З.Ш., Шамсутдинов Н.З., 2002; Данилов, Бурова, 2006; Уфим-цев, 2017).
Нами в процессе исследований в качестве покровного материала, наносимого на поверхность рекультивированного отвала использовался осадок сточных вод очистительных сооружений г. Асбеста (ЗАО «Водоканал»). Перед применением осадка сточных вод были отобраны его образцы массой 2 кг каждый в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического бактериологического, гельминтологического анализа». Отобранные образцы были обработаны в Аккредитованном испытательном центре почв, агрохимикатов, кормов, сельскохозяйственной и пищевой продукции ФГБУ ГЦАС «Свердловский» в соответствии с требованиями ГОСТ Р 54534-2011 «Ресурсосбережение. Осадки сточных вод. Требования при использовании для рекультивации нарушенных земель».
Выполненные лабораторные исследования показали средние значения содержания химических веществ в образцах осадка сточных вод (табл. 6.6).
Материалы таблицы 6.6 наглядно свидетельствуют, что химический состав осадка сточных вод, предложенного для рекультивации отвалов месторождения хризотил-асбеста, по основным формам тяжелых металлов не превышают предельно допустимых концентраций.
Данные санитарно-гигиенических исследований осадка сточных вод приведены в таблице 6.7.
Результаты анализа химического состава осадка сточных вод и сани-тарно-гигиенических исследований свидетельствуют, что он соответствует требованиям ГОСТ Р 54534-2011 «Ресурсосбережение. Осадки сточных вод. Требования при использовании для рекультивации нарушенных земель» в полном объеме.
Нанесение осадка сточных вод на поверхность отвалов месторождений хризотил-асбеста в качестве способа биологической рекультивации решает следующие задачи. Как было отмечено ранее, грунт, составляющий отвалы, содержит минимальное количество питательных элементов, что сдерживает рост всходов и подроста древесных растений. В осадке сточных вод содержится азот, фосфор и микроэлементы, что обеспечивает потребности растений и ускоряет процесс естественной рекультивации.
Отвалы хризотил-асбеста характеризуются крайне неблагоприятным водным режимом. Крупные фракции, составляющие отвалы, не препятствуют проникновению летних осадков и снеговой воды в нижние горизонты отвала, из-за чего верхние горизонты пересыхают, что приводит к гибели всходов и подроста. Нанесение на поверхность отвала осадка сточных вод существенно улучшает водный режим верхних горизонтов отвала, поскольку осадок сточных вод будет удерживать влагу. Кроме того, его верхний слой будет выполнять роль мульчи, препятствуя испарению влаги с поверхности отвала.
Нельзя не учитывать, что в осадке сточных вод в значительном количестве содержатся семена травянистых растений, что после размещения осадка сточных вод на поверхности отвала обеспечит быстрое формирование живого напочвенного покрова, а в дальнейшем, по мере отмирания травянистых растений, будет способствовать формированию плодородного слоя на поверхности отвала.
Выполненные исследования полностью подтвердили научную гипотезу о возможности использования осадка сточных вод в качестве материала для биологической рекультивации отвалов месторождений хризотил-асбеста.
Помимо осадка сточных вод при рекультивации отвалов месторождения хризотил-асбеста использовались также древесные опилки и куриный помет Рефтинской птицефабрики. При этом если опилки выполняют роль, прежде всего, мульчи, поскольку бедны питательными элементами. Куриный помет, напротив, богат питательными элементами.
Осадок сточных вод, куриный помет и древесные опилки были нанесены на поверхность отвала осенью 2016 г. Южная часть Восточного отвала, где были заложены объекты по изучению внесения осадка сточных вод, куриного помета и древесных опилок, является участком естественной рекультивации, на котором произрастает мелкий и средний подрост сосны обыкновенной, а также мелкий, средний и крупный подрост березы повислой. Исследования показали, что уже через год после внесения нетрадиционных удобрений на поверхность отвала меняются основные показатели ассимиляционного аппарата (табл. 6.8).
Материалы таблицы 6.8 свидетельствуют, что если на контроле показатели ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной в 2017 г. практически не отличались от таковых в 2016 г., то на участках, где были внесены нетрадиционные удобрения, они в большинстве своем улучшились. Исключение составляют участки опытной рекультивации, на которых были внесены древесные опилки в дозе 2,5 и 5 т/га. Эксперимент показал, что показатели ассимиляционного аппарата подроста сосны обыкновенной после внесения опилок практически не изменились как у мелкого, так и среднего подроста.
Максимальный эффект достигнут при внесении активного ила в дозе 15 т/га. При этом различие в длине хвои хорошо определяется даже визуально (рис. 6.6).
Обмер мелкого и среднего подроста на участках опытной рекультивации и контроле (рис. 6.7) показал, что уже на следующий год внесение активного ила в дозе 15 т/га и куриного помета позволило увеличить прирост центрального и боковых побегов (табл. 6.9).
Внесение малых доз активного ила (до 10 т/га), а также древесных опилок не оказало существенного положительного влияния на прирост центрального и боковых побегов мелкого и среднего подроста сосны обыкновенной. Возможно, что последнее объясняется незначительным периодом продолжительности эксперимента (один год).