Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические основы рекультивации нарушенных земель 10
1.1 .Характеристика техногенных ландшафтов и нарушенных земель,... 10
1.2. Биологическая рекультивация за рубежом 25
1.3. История биологической рекультивации в России 28
1.4. Опыт проведения биологической рекультивации в Кузбассе 31
1.5. Обзор существующих технологий рекультивации техногенных
ландшафтов 39
1.6. Использование осадков сточных вод 53
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 63
2.1. Характеристика промышленных отходов 63
2.1.1. Отходы железорудного обогащения Абагурской аглофабрики 63
2.1.2. Золошлаковые отходы Томь-Усинской ГРЭС 66
2.1.3. Шламовые отходы ЗСМК 69
2.2. Методы исследования 73
2.2.1. Методика закладки полевого опыта 76
2.2.2. Методы анализа почвенно-растительного материала 80
2.2.3. Методика оценки экологического риска населения в зоне нарушенных земель 83
2.2.4. Статистическая обработка данных 88
ГЛАВА 3. Рекультиванионный эффект использования осадков сточных вод 93
3.1. Обезвреживание осадков сточных вод 93
3.2. Почвенно-экологическая эффективность использования осадков сточных вод 100
3.3. Шламохранилище ЗСМК 109
3.4. Хвостохранилище Абагурской аглофабрики 135
3.5. Золоотвалы Томь-Усинской ГРЭС 154
ГЛАВА 4. Биомониторинг рекультивированных участков нарушенных земель 160
4.1. Растения 160
4.1.1. Содержание тяжелых металлов и химический состав растений. 165
4.1.2. Характеристика травяного культурфитоценоза 174
4.1.3. Создание древесной компоненты культурфитоценоза 211
4.2. Животные 233
4.3. Почвенная микрофлора 240
4.4. Микроклиматические условия хвостохранилища Абагурской аглофабрики 255
4.5.Зонально-климатические особенности и почвенно-рекультивационное районирование нарушенных земель Южного Кузбасса 270
ГЛАВА 5. Эколого-экономическии эффект использования осадков сточных вод в рекультивационных целях 280
5.1. Оценка экспозиции изучаемого объекта 282
5.2. Стоимость единицы риска для современных условий России 291
5.2.1. Элементы управления риском 291
5.2.2. Расчёт распространения токсикантов с техногенных зон 296
5.2.3. Оценка экологического воздействия изучаемых промышленных объектов 297
5.3. Экологическая эффективность рекультивационных мероприятий...305
5.4. Экономическая эффективность рекультивационных мероприятий .307
Выводы 312
Библиографический список
- Биологическая рекультивация за рубежом
- Отходы железорудного обогащения Абагурской аглофабрики
- Почвенно-экологическая эффективность использования осадков сточных вод
- Характеристика травяного культурфитоценоза
Введение к работе
Актуальность работы. В исследовании, инициированном ЮНЕП и проведённом Нидерландской исследовательской организацией (Международным справочным и информационным центром по проблемам земли) отмечается, что 11 % мировых земельных ресурсов относятся к нарушенным землям, 60 % из них - в плохом или очень плохом состоянии (Вылегжанина, 2001). По данным Росземкадастра (Государственный (национальный) доклад..., 2002) площадь нарушенных земель в нашей стране на 1 января 2001 года составила 1150,9 тыс. га. При этом вносятся глубокие изменения в природные ландшафты, часто в корне меняющие их структуру. Увеличение технической оснащенности сопровождается все более глубоким проникновением в земные недра, нарушением и полным изменением структуры поверхностной оболочки земной коры на глубину до 200 - 400 метров, а в перспективе до 500 - 700 метров. Влияние, оказываемое горнодобывающей промышленностью на природные ландшафты, столь велико, что это позволило В.И. Вернадскому (1989) сравнить деятельность человека с геологическими процессами. Воздействия горнодобывающей промышленности можно сравнить с «антропогенным орогенезом» и с «катастрофическими антропогенными», или правильнее сказать, «техногенными сукцессия-ми».
Проблема оптимизации окружающей среды всегда была и остаётся чрезвычайно важной, особенно для промышленных регионов нашей страны. Десятилетия экстенсивного развития промышленности в Кузбассе привели к глубокому экологическому кризису в области землепользования. Не менее 70 % почвенного покрова равнинной части области в той или иной степени нарушено, около 200 тыс. га разрушено. На 63531 га (данные 2004 г.) нарушенных земель практически полностью уничтожен плодородный слой почвы. Более 40 тыс. га земли занято под складирование отходов. Под угольные разрезы ежегодно отторгается около 1,5 тыс. га сельскохозяйственных угодий. Темпы рекультивации отстают от объемов нарушения земель. За все время эксплуатации Кузнецкого угольного бассейна рекультивировано менее 20 % нарушенных земель (Баранник, Счаст-
ливцев, 1999). Ситуация осложняется тем, что более половины нарушенных земель (более 30 тыс. га) осталось от закрытых и закрывающихся предприятий. Вероятность их восстановления в ближайшие десятилетия минимальна. Если исходить из существующих на данный момент затрат на рекультивацию одного гектара нарушенных земель в 200 тыс. рублей, то предыдущая экономика оставила «экологический долг» почти в 6,5 млрд. рублей (Березнев и др., 2005).
Сформированные техногенные ландшафты оказывают негативное экологическое воздействие на окружающую среду, обусловливая цепь необратимых и губительных для всего живого на Земле последствий. Основными причинами долговременного кризиса в рекультивации нарушенных земель является недостаточность научно обоснованных, экономически целесообразных технологий, обеспечивающих высокий экологический и социальный эффект.
Как показывает практика, возможности широкомасштабного применения технологий коренной рекультивации по постоянной схеме с высоким экологическим эффектом и диагностикой почвенно-экологического состояния рекультивируемых территорий значительно ограничены дефицитом материальных ресурсов. Понятие «почвенно-экологическое состояние техногенного ландшафта» определяется как способность почвы конкретного местообитания в данном техногенном ландшафте поддерживать тот или иной уровень жизнеобеспечения биоценозов (Курачёв и др., 2003).
Любая нарушенная территория техногенного происхождения проходит в своем развитии две фазы - техногенного формирования и посттехногенную фазу развития (Курачёв и др., 2003; Андроханов, 2005; Галанина, 2007). Ведущими механизмами трансформации техногенных ландшафтов в естественные являются биологические процессы, приводящие к развитию биогеоценоза. Формирование ценоза любого уровня определяется эффективностью биологического этапа рекультивации, создающего необходимые почвенно-биологические процессы для восстановления плодородия нарушенных территорий.
Цель работы заключается в разработке и экспериментальной апробации нетрадиционных мелиорантов при рекультивации отходов металлургической,
угольной и энергетической отраслей производства Кузбасса, позволяющих при относительно небольших материальных затратах дать значительный экологический эффект. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
оценка обезвреживающего воздействия отходов чёрной металлургии на осадки сточных вод (ОСВ) городских очистных сооружений и почвоулучшаю-щего эффекта при использовании ОСВ и иловых образований из водозаборных ковшей тепловых электростанций в рекультивационных целях;
анализ содержания тяжёлых металлов в биомассе изучаемых растений, видовая и биометрическая оценка растительного материала, выявление корреляционной связи в травостое между развитием отдельных органов опытных растений и показателями влажности корнеобитаемого слоя почвы с учетом микроклиматических условий;
изучение видового состава фауны на экспериментальных площадках и в окружающих их экосистемах, определение её численности и жизненного состояния, оценка перспектив развития животного населения по мере формирования культурфитоценоза;
исследование микробоценоза и уровня ферментативной активности почвенной микрофлоры техноземов в сравнении с таковой природной, оценка участия микроорганизмов в корневом питании растений, в формировании куль-турфитоценозов;
- экономический расчет преимущества новой рекультивационной технологии и оценка экологического эффекта мероприятий по биологической рекультивации нарушенных территорий Кузбасса по показателям риска здоровья населения;
Положения, выносимые на защиту:
1. Новые рекультивационные технологии, основанные на использовании нетрадиционных мелиорантов (осадков сточных вод городских очистных сооружений, иловых образований водозаборного ковша) позволяют создать на нарушенных землях специфический растительный покров с изменяющейся ди-
намикой видового состава растений, в дальнейшем - культурфитоценоз и культурную экосистему.
Формирование техноземов при проведении рекультивационных мероприятий нарушенных земель определяется применением нетрадиционных поч-воулучшителей при участии почвенных микроорганизмов, травянистых и древесных растений.
Затраты на проведение биологической рекультивации с использованием нетрадиционных почвоулучшителей существенно ниже по сравнению с таковыми, где применяются природные почвы.
Проведение рекультивационных мероприятий на основе предложенных технологий дает возможность значительно улучшить состояние окружающей среды пригородных и городских территорий, повысить уровень здоровья населения.
Использование нетрадиционных почвоулучшителей при рекультивации нарушенных земель возможно в различных зонах и регионах с учетом специфики почвенно-биоклиматических условий (экологически значимых факторов): содержания элементов питания в доступной форме, влагообеспеченности техногенного субстрата, температурного, светового и теплового режимов.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые в биологической рекультивации нарушенных металлургической, угольной и энергетической отраслями промышленности земель Кузбасса, были использованы нетрадиционные почвоулучшители. Их применение позволяет не только повышать плодородие нарушенных земель, но решать еще одну важную экологическую проблему - утилизировать отходы городских очистных сооружений и ковшевых иловых отложений предприятий энергетического комплекса Кузбасса.
Экспериментальные полевые исследования позволили разработать принципиально новую рекультивационную технологию, дающую высокий экономический и экологический результат. Технология может иметь распространение в других регионах. Разработана система проведения комплексного биомониторинга за рекультивированными участками с использованием в качестве инди-
каторов - биологических объектов: растений, животных и почвенных микроорганизмов.
Практическая значимость работы. Биомониторинг рекультивированных опытных площадок позволяет оптимизировать и ускорить процесс формирования культурфитоценоза на отходах промышленного производства, следить за состоянием и развитием травостоя, отслеживать процесс восстановления плодородия нарушенных земель, прогнозировать и направлять развитие сукцесси-онных процессов на рекультивируемых территориях в наиболее целесообразном направлении, рассчитать экологический и экономический эффект проводимых рекультивационных работ.
Создана сеть полевых стационаров на всех изучаемых промышленных объектах для проведения систематических полевых исследований на рекультивированных участках, что позволило качественно изменить проведение учебно-полевых практик студентов Кузбасской государственной педагогической академии, наполнить их новым содержанием, получить зримые результаты в области прикладной экологии, решить региональные учебно-образовательные задачи. Материалы диссертации апробированы в течение ряда лет и рекомендованы для использования в учебном процессе в ВУЗах Сибири для студентов эколого-биологического профиля при решении прикладных экологических задач в учебных курсах «Экология», «Экология растений» и др.
Накопленный положительный опыт по биологической рекультивации с применением нетрадиционных мелиорантов даёт возможность тиражировать его на другие промышленные объекты с нарушенными землями, что с учетом меньших природно-ресурсных затрат и невысокими материальными издержками делает его весьма перспективным.
Апробация работы. Результаты работы представлены на Всероссийском совещании-семинаре «Технологические решения актуальных экологических проблем Кузбасса» (Новокузнецк, 2000), на Международном совещании «Биологическая рекультивация нарушенных земель» (Екатеринбург, 2002), V Международной научно-практической конференции (Белово, 2004), Всероссийской на-
учно-практической конференции «Организация самостоятельной работы студентов» (Оренбург, 2005), VIII Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2005), I Областном научно-практическом семинаре «Экологические проблемы Кузбасса: прошлое, настоящее, будущее» (Кемерово, 2005). Материалы исследований представлялись на Кузбасской ярмарке «Экология Сибири» (Новокузнецк - 1999, 2001, 2006, Новосибирск -2006).
Личный вклад автора. Диссертационная работа явилась результатом многолетних комплексных исследований, проводимых в рамках интеграционного проекта (К-1122) ФЦП «Интеграция», Международной программы «Roll». Все полевые и лабораторные исследования выполнялись при непосредственном руководстве и участии автора на базе лаборатории института почвоведения и агрохимии СО РАН (г. Новосибирск), биомониторинга и агробиостанции КузГПА, Западно-Сибирского испытательного центра (г. Новокузнецк).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано одна монография и 32 печатные работы, в том числе в пяти рецензированных изданиях общим объемом 20,2 п. л., где доля автора составляет 10,4 п. л.
Структура работы. Диссертация представляет собой рукопись объёмом 362 страницы, состоит из введения, 5 глав, выводов и приложений, включает 61 таблицу и 41 рисунок. В списке литературы 255 отечественных и 89 зарубежных источников.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту, зав. кафедрой института географии РАН (Москва), д.г.н., профессору Кочурову Б.И., своим коллегам по работе учёному-агроному Степнову А.А., зам. директора по научной работе ИПА СО РАН, д.б.н. Андроханову В.А., начальнику отдела УОП ОАО ЗСМК Кудашкиной С.А., к.б.н., доценту КузГПА Ваничевой Л.К. Считаю приятной обязанностью принести искреннюю признательность зав. кафедрой анатомии и физиологии человека и животных КузГПА, д.б.н., профессору Михайловой Н.Н., принимавшей участие в разностороннем обсуждении результатов выполненной работы.
Биологическая рекультивация за рубежом
Источники образования нарушенных земель. К. Уоллворк (1979) выделяет следующие источники образования нарушенных земель:
1. Подземная добыча полезных ископаемых или извлечение их посредством бурения. Подземная добыча заключается в извлечении шахтным способом из недр земли горючих, рудных и реже нерудных полезных ископаемых. Некоторые виды минерального сырья в естественном состоянии встречаются в виде вязких жидкостей и поднимаются на поверхность с помощью бурения.
Среди других отраслей добывающей промышленности по масштабности образования нарушенных земель при подземных разработках выделяется угледобывающая, так как ни в какой другой отрасли добычи осадочных полезных ископаемых столь тесно не сочетаются между собой указанные выше процессы проседания земной поверхности и процессы накопления на ней отвалов.
Проседание - это процесс вертикального смещения земной поверхности, который возникает при выборке полезного ископаемого из нижележащих толщ горных пород. Одновременно этот процесс сопровождается горизонтальными смещениями поверхности, механизм которых более сложен и которые приводят к наиболее разрушительным последствиям, особенно, на подработанных территориях в городской черте. Применение метода «подсадки» в Силезском угольном бассейне (Польша), где по трубам в шахтные выработки подаётся пустая порода, гравий и песок позволяет вероятность просадок свести к минимуму (Pounds, 1958).
2. Наземная (открытая) добыча полезных ископаемых. "Наземная добыча" - термин, сущность которого ясна и без дополнительного разъяснения. Но надо иметь в виду, что полезные ископаемые, извлекаемые открытым способом, и применяемая при этом технология весьма разнообразны. Большинство нарушений при открытой добыче вызваны к жизни созданием карьеров и накоплением пустой породы, которая по своему характеру иногда напоминает отходы подземной добычи и процессов обогащения полезных ископаемых. Однако размещение отвалов открытой добычи в непосредственной близости от карьеров вынуждает при планировании рекультивации учитывать их отдельно от шахтных отвалов.
3. Обогащение полезных ископаемых. При обогащении полезных ископаемых и некоторых процессах их переработки образуются всевозможные отходы. Нередко их наличие провоцирует проблемы столь сложные, что решить их бывает много труднее, чем проблемы, связанные непосредственно с самой добычей.
4. Разнообразные виды промышленной и транспортной деятельности. Нарушенные земли, которые возникают после окончания эксплуатации промышленных и общественных построек, почти не поддаются классификации.
По мнению К. Уоллворка (1979) существуют три возможных способа размещения отходов без создания отвалов.
Первый способ мог бы заключаться в контролируемом сбросе отходов в море с помощью барж с откидным дном. Технически эта процедура вполне осуществима. Однако, высокий уровень капитальных затрат, сложные организационные проблемы, а также вероятность того, что затопленные отходы в конечном счете могут быть выброшены обратно на берег приливно-отливными течениями, - все это делает такой метод неприемлемым.
Второй способ размещения отходов - закладка пустой породы в отработанные подземные выработки представляется значительно более реальным. Гидравлическая закладка пустой породы или других твердых материалов в отработанные лавы могла бы предотвратить опасность проседания и в то же время позволила бы произвести полную выборку угля. Однако, чтобы уменьшить размер проседаний, необходимо обеспечить возможно более плотную укладку материала. Это достигается с помощью метода пневматической закладки, используемого преимущественно на угольных месторождениях.
Третий способ заключается в отыскании области применения для содержащегося твердого компонента угольных отходов, например в качестве стройматериалов или получении весьма ценного продукта - поташа.
Нарушение земель при размещении отходов обогащения. Большинство нарушенных территорий создано добывающими и перерабатывающими минеральное сырье отраслями промышленности. Многие промышленные предприятия производят твердые отходы, в отношении которых нельзя ни осуществить повторную утилизацию, ни подыскать другое полезное употребление, но от которых нетрудно избавиться, например путем контролируемого размещения, применяемого обычно для твердых бытовых отходов. Серьезные проблемы возникают из-за того, что при некоторых технологических процессах в машиностроительной и металлообрабатывающей отраслях промышленности образуются ядовитые отходы. Безопасное размещение их, как и многих других отходов, сталкивается с весьма значительными трудностями. Существующие нарушенные земли зачастую оказываются местом для несанкционированных свалок твердых техногенных отходов, в том числе, бытовых отходов, садового и строительного мусора и т.п. Причина возникновения таких стихийных свалок заключается в том, что они являются альтернативой, за которую не нужно платить, строго контролируемому платному размещению. Такое решение проблемы не только усугубляет неприглядность нарушенных земель, но и повышает стоимость их рекультивации. 1. 2. Биологическая рекультивация за рубежом В зарубежных странах официальные работы по рекультивации получили свое развитие с начала XX века.
Германия - страна, где впервые в мире применялись посадки древесных пород на отвалах. В 1907 году были созданы культуры дуба красного, сохранившиеся до нашего времени (Silburn, Crow, 1984). Весьма высокую репутацию в Германии и за рубежом в области рекультивации нарушенных земель получила компания «Рейнбраун». По окончании горных работ отработанные площади трансформируются в плодородные сельскохозяйственные районы с богатым и разнообразным составом растительного и животного мира. Значимость земель зависит от уровня рекультивации, и в некоторых случаях ряд восстановленных площадей получил статус природного заповедника. О важности рекультивационных мероприятий говорит появление нового для горного дела Германии термина «горно-санирующие работы». Все мероприятия при горно-санирующих работах направлены на достижение следующих результатов: - экологическое оформление использованных для добычи площадей; - подготовка необходимых площадей для размещения мелких и средних промышленных предприятий; - устранение опасностей, причиной которых могут явиться неиспользованные строительные материалы и другие источники несчастных случаев; - озеленение, создание зон отдыха, водоемов; - разделение бывших территорий горных выработок на отдельные ландшафты.
В Польше исследования по рекультивации ведутся с 1955 года, они имеют широкий размах, комплексность и практическую направленность. Рекультивация земель, нарушенных горными работами, сводится обычно к их выравниванию, засеву травами, иногда посадке деревьев и кустарников.
В Швейцарии, Италии, Австрии, Швеции и Финляндии на местах открытой добычи строительных материалов предусматривается создание зон отдыха, водоемов для спорта и рыболовства.
Отходы железорудного обогащения Абагурской аглофабрики
Форма и параметры нарушенной поверхности Абагурской аглофабрики. Хвостохранилище заполнено при помощи гидротранспорта, что привело к дифференциации материала по гранулометрическому составу.
В почвенно-экологическом отношении материал отработанных хвосто-хранилищ характеризуется очень высокой неоднородностью практически всех химических, физико-химических, агрофизических и агрохимических параметров. Эта неоднородность определяется спецификой технологии формирования гидроотвалов, которая дифференцирует материал как по площади гидроотвала так и в его толще. Высокая плотность -1,7 г/см и выше, делает этот субстрат практически корненепроницаемым, резко снижает объем поро-вого пространства, количества пор и водопроницаемости. По этой причине при рекультивации хвостохранилищ необходимо введение специального технологического элемента, снижающего эту плотность, например, смешивание с другими менее плотными субстратами.
Вследствие мелкофракционного состава и значительных масштабов занимаемой ими территории (350 га), субстрат хвостохранилищ практически полностью лишен растительности и подвержен ветровой эрозии, что оказывает негативное воздействие на биогеоценоз близлежащих территорий. В районе пос. Елань годовое выпадение пыли составляет 409 г/м , что более чем в 200 раз превышает фоновый показатель для лесостепной зоны (2 мг/м ). В радиусе 8 км вокруг Абагурской аглофабрики отмечено загрязнение почв, в том числе железом в 3 - 3,5 раза выше фона (Романенко, 1992). Среди жителей пос. Елань отмечена высокая заболеваемость силикозом.
Субстрат хвостохранилища относится к категории сильно засоленных, фитотоксичных. При этом степень фитотоксичности достигает очень высоких значений. Факторами фитотоксичности выступают хлориды и сульфаты.
Долевое участие этих солей примерно одинаково. Хвосты отнесены к 4 классу токсичности.
Основными причинами препятствующими естественному зарастанию поверхности хвостохранилища, являются: - фитотоксичность, обусловленная засолением поверхности; - высокая плотность сложения субстрата; - низкое содержание элементов питания растений; - неблагоприятные микроклиматические условия, такие как высокая температура в летний период, незначительное накопление снегового покрова зимой, ветровая эрозия, т.е. засекание молодых побегов и листьев растений песчаным материалом хвостохранилища.
Фитотоксичность пород в сочетании с их высокой плотностью - главная причина длительного существования техногенной пустыни Абагурского хвостохранилища.
Для восстановления почвенно-растительного слоя необходима технология рекультивации, позволяющие улучшить условия на поверхностях хвостохранилища и обеспечить долгосрочное функционирование фитоценоза в данных микроклиматических условиях. Успешная рекультивация возможна при создании органо-минеральных смесей на его поверхности в процессе подготовительного этапа и последующей биологической рекультивации, т.е. создания устойчивых культурфитоценозов для предотвращения эрозии. Известно, что наиболее рациональным способом восстановления органической составляющей отвалов является размещение на их поверхности плодородного слоя земли, снятого при строительстве новых отвалов. Этот способ возможен для рекультивации склонов хвостохранилища №2 путем размещения почвенного слоя с территории хвостохранилища №3, но не используется на всех площадках, требующих рекультивации, из-за ограниченного количества необходимого материала.
Таким образом, создание травяного покрова на поверхности хвостохранилища коренным образом улучшит ситуацию с обеспечением снегона
копления зимой, что в совокупности с фактором присутствия органического субстрата повысит эффективность восстановления почвенно-растительного слоя на поверхности хвостохранилища.
Без проведения рекультивационных мероприятий создание устойчивого фитоценоза и формирование в субстрате хвостохранилища корнеобитае-мого слоя, препятствующего развитию водной и ветровой эрозией, невозможно. Установлена перспективность использования ОСВ в качестве субстрата, существенно улучшающего химико-физические свойства пород. Практически на всех опытных площадках отмечается заметное снижение напряженности режимов функционирования сформированных культурфитоце-нозов. В результате внесения ОСВ происходит улучшения питательного режима субстратов хвостохранилища по всему комплексу элементов зольного питания растений. Во всех вариантах способов размещения ОСВ достигнут положительный эффект - рост урожая с увеличением нормы внесения ОСВ.
Созданы рекультивированные участки на отходах железорудного обогащения и металлургического шлака. Проведен мониторинг опытных участков, заложенных в 1997 и 1998 годах на территории хвостохранилища Аба-гурской аглофабрики. Установлено, что через 2-3 года создаются условия для становления почвенного микробоценоза и формирования устойчивого культурфитоценоза. Исследованы микроклиматические условия созданных местообитаний. Установлено влияние опытных участков на самозарастание прилегающих территорий отвалов.
Почвенно-экологическая эффективность использования осадков сточных вод
Рекультивация нарушенных земель в современном понимании представляет собою комплекс технологических приемов создания местообитаний с заданным набором параметров, характеризующих качество почвенно-экологических функций техноземов. Напомним, что технозем это сформированное техническими средствами почвоподобное образование, которое после окончания техногенеза функционирует как любое другое естественно-историческое тело, именуемое почвой. Поэтому в соответствии с принципами генетической классификации (Гаджиев и др., 1992) такие образования называются техноземами. Каждый тип технозема характеризуется индивидуальным, свойственным только данному типу, комплексом свойств и режимов, который обеспечивает пищевые, водные, воздушные и другие условия существования почвообитающих организмов, в том числе и растений. Способность почвы, или, как в данном случае, техноземов, обеспечивать те или иные условия существования организмов называется почвенно-экологической функцией. Количество почвенно-экологических функций в техноземах, как и в любых других почвах, очень велико. Теоретически оно равно числу экологических ниш. Поэтому чем выше это число, тем большей устойчивостью функционирования обладает данная экосистема. Следовательно, оценить почвенно-экологическую эффективность любой технологии рекультивации нарушенных земель, это одновременно означает оценить будущую стабильность функционирования экосистемы, ее продуктивность и биоразнообразие. Иными словами, чем выше почвенно-экологическая эффективность избранной технологии рекультивации, тем лучше экологические перспективы ее практического применения.
Понятно, что и стабильность функционирования экосистемы, и ее продуктивность, и биологическое разнообразие прямым способом могут быть оценены лишь тогда, когда экосистема достигнет климаксной стадии развития. Однако, к сожалению, для установления стадии климакса, даже при очень высокой почвенно-экологической эффективности используемой технологии рекультивации, требуется не менее 20 лет. По этой причине встает проблема разработать метод определения почвенно-экологической эффективности технологии рекультивационного мероприятия на любом этапе его проектирования и реализации. Такой метод, называемый методом расчета комплексного природного потенциала местообитания, был ранее разработан в лаборатории рекультивации почв ИПА СО РАН и использован при расчетах почвенно-экологической эффективности технологий создания разных вариантов техноземов, сформированных с помощью ОСВ на Абагурском хвостохранилище.
Почвенно-экологическую эффективность и, следовательно, перспективы разработки той или иной технологии рекультивации нарушенньк земель определяют две крупные группы почвенно-экологических функций: стабильные и динамические. Стабильные почвенно-экологические функции это те, которые определяются механизмами функционирования с длительными характерными временами трансформации. Чаще всего комплекс стабильных функций контролируется формой техногенного рельефа, крутизной и экспозицией склонов, степенью каменистости пород, их петрографическим и химико-минералогическим составом, содержанием фракций физической глины и т.д. Динамические функции это те, которые сформированы главным образом биологическими механизмами. Сама генетическая сущность таких механизмов такова, что и набор большинства динамических функций и их активность обусловлены особенностями развития в почве биоценозов и, в частности в техногенных ландшафтах, характером их сукцессии. Из сказанного понятно, почему характерное время развития динамической функции и ее трансформации практически несоизмеримо меньше, по сравнению со стабильными. Легко увидеть одно принципиальное различие этих двух групп функций: механизмы, формирующие стабильные почвенно-экологические функции сравнительно просто «поддаются» технологическим приемам создания техноземов с заданным набором необходимых параметров, динамические хотя и сильно зависят от первых, но из-за своей биологической сущности практически не поддаются техногенному регулированию. Однако, поскольку между названными группами почвенно-экологических функций существует тесная корреляционная связь: в известной мере, вторые являются производными от первых, то, зная необходимые параметры одних, можно рассчитать и основные параметры других. Однако, к сожалению, эти расчеты удается сделать не по всем почвенно-экологическим функциям отдельно, а по некоей одной, интегральной. Равным образом пока нет и полного набора уравнений корреляции, характеризующих все межфункциональные связи. По этой причине способом оценки почвенно-экологической эффективности или экологической перспективы той или иной технологии рекультивации является расчет комплексного природного потенциала (КПП) данного техногенного местообитания по набору стабильных функций. Такая процедура была ранее выполнена при оценке почвенно-экологической эффективности всех вариантов экспериментальных техноземов.
Характеристика травяного культурфитоценоза
Уже при постановке полевого опыта были основания полагать, что по мере развития многолетних бобовых трав, используемых в качестве биологического мелиоратора, действие биологических процессов на лимитирующие факторы будет нарастать. Причем это нарастание будет многоплановым, обусловленным нарастающим потоком в почву органических веществ биогенной природы и механическим воздействием на субстрат увеличивающейся от одного года вегетации к другому массы корней. Рассмотрим особенности характера этих процессов в каждом из вариантов техноземов, сформированных на террасе дамбы шламохранилища ЗСМК (гидроотвала) с использованием ОСВ, на втором году вегетации многолетних трав и приведем описание технологических и сопутствующих им почвенно-экологических различий по 8 вариантам опытных площадок: 1. Контроль - перепаханная на глубину 20 см поверхность террасы дамбы гидроотвала. 2. Нанесение на поверхность 10 см слоя ОСВ с последующим перепахиванием на глубину 20 см. 3. Нанесение на поверхность 20 см слоя ОСВ с последующим перепахиванием на глубину 30 см. 4. Нанесение на поверхность 10 см слоя ОСВ; перепахивание на глубину 20 см; нанесение второго слоя ОСВ мощностью 20 см и перепахивание на глубину 30 см. 5. Нанесение на поверхность 20 см слоя суглинка, затем 20 см слоя ОСВ с последующим перепахиванием на глубину 30 см. 6. Нанесение на поверхность 30 см слоя суглинков, нанесение на суглинок 10 см слоя породы и последующее перепахивание на глубину 30 см. 7. Нанесение на поверхность 20 см слоя ОСВ, обработанных известью, с предварительным щелеванием поверхности на глубину до 70 см с интервалом 2,5 м. 8. Снятие породы на глубину 40 см., перепахивание образовавшейся новой поверхности, отсыпка на нее слоя карбонатных суглинков, мощностью 20 см и ОСВ также мощностью 20 см., последующее перепахивание на глубину 30 см.
Вариант 1. Техноземы этого варианта сформированы по простейшей технологии: планирование поверхности, перепахивание пород на глубину 20 см., посев многолетних бобовых трав. Перепахивание поверхности террасы дамбы гидроотвала, на которой сформирован технозем, снимает влияние очень важного лимитирующего развитие фитоценозов фактора - переуплотнение породы. Однако этот прием не снимает главного - дефицита в породах мелкозема и особенно фракций физической глины, ответственной за уровень многих стабильных почвенно-экологических функций. По этой причине фи-тоценозы, в том числе и искусственно созданные на данном техноземе, могут сохраниться только в том случае, если близко к корнеобитаемому слою или непосредственно в нем будет постоянно поддерживаться режим дополнительного подпитывания субстрата водами, поступающими со стороны основного тела гидроотвала. Периодическое подпитывание такими водами отмечалось нами во время полевых исследовательских работ предшествующего года. Однако даже в случае постоянного подпитывания в течение всего вегетационного периода, в случае, если верхний уровень воды не достигает нижней границы корнеобитаемого слоя, дефицит влажности пород в корнеобитае-мом слое не может быть ликвидирован из-за отсутствия в породах фракций физической глины, определяющих водоудерживающую способность пород и, следовательно, водообеспечивающую почвенно-экологическую функцию. Поскольку без этих фракций невозможно устойчивое существование ни травяных, ни лесных насаждений, то перспективы применения простейших технологий рекультивации технологии подобных местообитаний отсутствуют.
Предельно низкая активность биологических процессов, протекающих в таких техноземах, не может обеспечить развития большинства динамических почвенно-экологических функций. По вышеизложенным причинам исследования, проводимые на данном варианте техноземов, ведутся главным образом для того, чтобы получить материалы, позволяющие сравнительно аналитическим путем оценить почвенно-экологическую эффективность всех других вариантов техноземов. То есть этот технозем используется в проводимых исследованиях в качестве эталона-свидетеля (контроля). Напомним, что мерилом почвено-экологической эффективности, определяемой по значениям КПП, является биологическая продуктивность фитоценоза и поэтому исследование уровня продуктивности сформированных техноземов имеет прици-пиальный характер. Поскольку сам характер исследований по своей сущности является сравнительно аналитическим, предусматривающим сравнение биологической продуктивности техноземов, сформированных различными технологиями с контрольным техноземом, то характеристика биологической продуктивности будет рассмотрена позже и по всем вариантам техноземов одновременно.
Похожие диссертации на Рекультивация техногенно нарушенных земель южного Кузбасса с использованием нетрадиционных мелиорантов
