Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

РАСТИТЕЛЬНЫЕ СУКЦЕССИИ НА ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТАХ ЗАПАДНОЙ ЯКУТИИ И ИХ ОПТИМИЗАЦИЯ

Миронова С. И.,

4.2.3. Опыты на отвалах карьера «Айхал»

Если на территории Мирнинского ГОКа при биологической рекультивации отвалов плодородный слой почвы отсыпается из месторождения «Водораздельные галечники», а на территории Айхальского и Удачнинского ГОКов таких месторождений нет. В этой связи необходим был поиск способов рекультивации без отсыпки плодородного и потенциально плодородного слоя или заменой его другими нетрадиционными материалами.

Имеются некоторые опыты других регионов по использованию нетрадиционных материалов. Так, на Кольском полуострове на отвалах после внесения азотных, фосфорных и органических удобрений и посева местных и инорайонных трав используется закрепитель песка – латекс СКС-65 ГП.

О.А. Дружинина, Е.Г. Мяло (1990) предлагали непосредственный засев отработанных площадей многолетними травами с применением минеральных удобрений, обогащение техногенных субстратов органическими веществами, необходимыми для создания корнеобитаемой части рекультивационного слоя – нанесение слоя ила, использование сапропеля; травосеяние с применением многолетних видов местной флоры.

Е.П. Дороненко (1979) рассматривал необходимость разработки приемов, ускоряющих развитие организмов, первыми заселяющих техногенные субстраты различных типов, а также методов искусственной альгализации их. Накопление органического вещества будет способствовать интенсификации почвообразовательного процесса и, как следствие этого, – процесса заселения отвалов высшими растениями.

В Польше на отвалах каменноугольной шахты «Богданка», биологическая рекультивация, проведенная осенью 1997 г. состояла в нанесении на отвалы осадка сточных вод в жидкой форме с последующим формированием слоя толщиной 7 см с 80 %-ной влажностью. На этот слой высевалась (методом гидропосева) травяная смесь. На другом участке в процессе биорекультивации использовался слой подзолистой почвы толщиной 10 см, засеянной затем традиционным способом. Контрольным объектом была пустая порода, не подвергшаяся рекультивации. Установлено, что и осадок сточных вод, и почвенная фракция положительно влияют на характеристики рекультивируемой пустой породы.

В Германии Институтом зерна совместно с аграрным объединением Райнсберг в 1999 г. разработана технология изготовления из измельченной древесины, волокнистых растений, зерен ржи, глины и извести древесно-растительных плит (плиты ROFA), предназначенных для закрепления откосов и рекультивации нарушенных земель, в том числе карьеров по добыче камня. В состав компонентов включают и питательные элементы. Плиты «начиняют» семенами травянистых растений, которые благодаря хорошей влагообеспеченности, воздухообмену и питательными веществами быстро прорастают и закрепляют нарушенные поверхности, подверженные эрозии и разрушению. Закрепляя плиты на джутовой ткани, получают маты, использование которых позволяет снизить затраты труда на рекультивацию земель этим методом.

Санкт-Петербургские ученые З.И. Никитина, Л.Т. Крупская (1996) для восстановления нарушенных комбинатом земель использовали ускоренный метод рекультивации, технология которого не предполагает привноса плодородного слоя. Создание плодородия обеспечивается внесением культур микроорганизмов и гуминного препарата на поверхность вскрышных пород с последующим посевом бобово-злаковой травосмеси. Применение данной технологии способствует быстрому накоплению в субстрате органического вещества. Как показали исследования, содержание гумуса к концу первого года в грунтах, обработанных штаммами почвенных микроорганизмов, увеличилось до 4–5 %. Микробиологический анализ свидетельствует о наличии основных физиологических групп микроорганизмов и восстановлении биологической активности.

В Якутии сотрудниками лаборатории охраны природы НИИ «Якутпроалмаз» в 1983 году на полевом стационаре отсыпанного отвала карьера «Водораздельные галечники» были засеяны донником белым и эспарцетом песчаным. Благодаря азотофиксирующим клубеньковым бактериям бобовых посевы дали дружный и устойчивый самосев (Рекультивация…, 1978; Лебедева, Лонкунова, 1992).

Для подбора ассортимента видов растений, пригодных для первоначального освоения промышленных отвалов, целесообразно использовать типологический принцип – создание культур фитоценозов по составу и структуре, подобных естественным фитоценозам. Создание продуктивных биогеоценозов на промышленных отвалах предполагает применение определенного ассортимента видов растений, способных быстро адаптироваться к условиям специфичной среды и сформировать сообщество высокой продуктивности.

Введение культурных растений в новые, не свойственные их природе условия экологической среды промышленных отвалов, рассматривается как частный случай интродукции растений и предполагает изучение ряда показателей, определяющих целесообразность создания культур фитоценозов из тех или иных видов. К их числу относятся: изучение особенностей роста и развития растений, динамики накопления массы подземными и надземными органами; взаимоотношения между видами при совместном произрастании; отзывчивости на антропогенные воздействия и устойчивости к ним. В перспективе можно организовать питомники для выращивания саженцев быстро растущих кустарников для озеленения отработанных земель, для выращивания материала для городских озеленительных посадок и для нужд населения. Такими видами кустарников могут быть акация, боярышник, шиповник, смородина, ива, черемуха, причем сорта этих видов нужно выбирать с учетом агроклиматических условий. Из местных видов дикой флоры хорошо приживутся ячмень гривастый, бескильница Гаупта, хамомилла, бекмания восточная, семена которых можно собрать по долине рек. Эти виды могут создать лесопитомник, где можно выращивать не только местные, но и интродуцированные деревья и кустарники.

Применяется и водорослевый метод («algal bioassey») используемый для оценки «неплодородных материалов» (Штина, Голлербах, 1976). Водоросли скрепляют частицы почвы, склеивая их слизистыми веществами чехлов и клеточных оболочек. Кроме азотфиксирующей способности, водоросли на отвалах играют определенную роль и в накоплении ряда важных для растений микроэлементов и зольных элементов (медь, марганец, цинк, кобальт, молибден, калий).

В Западной Якутии изучались природные цеолиты, опыты показали эффективность их применения в газовой и алмазной промышленности, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве и т.д. (Колодезников и др., 1992). Цеолиты применялись и при дезактивации радиоактивных нуклидов и рекультивации почв зараженной зоны после аварии в Чернобыле, очистке производственных и канализационных стоков, дымовых газов (Банах и др., 1990).

В Якутии первое месторождение цеолитов – Хонгуруу в Сунтарском улусе – было открыто в1978 году. Запасы цеолитового сырья оценивались в 51 млн т. В настоящее время прогнозируемая оценка составляет 100 млн т. Установлено, что высокая адсорбционная активность природных цеолитов и их эффективность как кондиционеров водно-солевого режима почв может способствовать быстрому развитию биоценозов на техногенных отвалах. Они способны сохранять влагу, понижать кислотность почв, предотвращать накопление нитратов, радиоактивных и тяжелых металлов в растениях. После изучения статистических (легкий гранулометрический состав, низкое содержание микроэлементов и т.д.) и динамических (pH, содержание подвижного Р и К) предполагают возможность его использования в качестве многоцелевого мелиоранта для биологической рекультивации отвалов, в особенности на кислых субстратах. При этом наиболее благоприятными свойствами обладает Са2+ форма Хонгурина, которая в условиях открытого грунта может быть использована как на кислых грунтах, так и на щелочных без опасности подщелачивания и вторичного засоления последних.

Одним из перспективных методов переработки органических отходов и получения высокоэффективного органического удобрения является метод, основанный на использовании вермикультуры – специально выведенного дождевого червя. Этим методом широко пользуются во многих странах мира: Китае, Японии, Италии, Франции, Швейцарии и др. В нашей стране культивирование дождевых червей начато с 1984 года и вопросами зимнего вермикультивирования вне помещения в условиях Сибири и способами ускоренной подготовки субстратов занимаются в Томском университете.

В Якутии разведением червей начали в 1992 году (Дмитриева, 2000). Метод вермикультивирования можно рекомендовать и для биологической рекультивации промышленных земель. Для этого нужно подготовить субстрат для червей с использованием различных видов органических отходов, как сельскохозяйственного, так и промышленного производства: любой навоз или помет; солома, опилки, торф, листья, бумага, картон и др.; хозяйственно-бытовые отходы; осадки хозяйственно-бытовых сточных вод и т.д. Соблюдая определенные условия подготовки базового субстрата, заложить червей для получения вермикомпоста. Научные поиски и исследования по возможности применения метода вермикультивирования для реанимации земель, претерпевших отрицательное антропогенное влияние, по снижению поступления в продукцию радионуклидов, пестицидов, тяжелых металлов и других вредных веществ продолжаются (Дмитриева и др., 2000).

Таким образом, используя предлагаемые способы и методы можно сравнительно дешево и достаточно быстро получить желаемые результаты по восстановлению растительности промышленных земель. Для практического применения многих рассмотренных способов, подбора их параметров необходима постановка опытных исследований на экспериментальных площадках конкретных условий объектов рекультивации.

Карьер «Айхал» расположен недалеко от п. Айхал в водоразделе р. Сохсолох. Длина карьера составляет 1100 м, ширина – 600 м. Глубина более 320 м. Открытая разработка карьера начата в 1961 г., подземная разработка – в 1997 г.

Отвалы карьера «Айхал» расположены вокруг самого карьера и занимают значительные площади, создавая целый комплекс техногенного холмисто-седловинного рельефа. Высота отвалов достигает до 60 м, угол откоса до 60° (рис. 4.8). Отвалы характеризуются большой неоднородностью состава и размера отсыпных пород (Отчет …2 этапа). По классификации грунтов для биологической рекультивации земель (ГОСТ 17.5.1.03-86) грунты отвалов относятся к малопригодным грунтам, как по физическим свойствам, так и химическому составу грунтов.

Особенностью рекультивационных работ на отвалах карьера «Айхал» является дефицит потенциально плодородного слоя для отсыпки поверхности отвала.

Рис. 4.8. Общий вид отвалов карьера «Айхал»

На алмазных месторождениях Якутии биологическая рекультивация без отсыпки плодородного слоя проводится впервые. Выбор способов и методов рекультивации проводились нами на основе анализов и опытных исследований Института прикладной экологии Севера (Миронова, 2000; Миронова и др., 2005; Миронова и Иванов, 2005; Рекомендации…, 2006, 2010).

Рекультивационным работам предшествовали рекогносцировочные обследования всех отвалов карьера для выбора опытного участка.

При рекультивации техногенных земель учитывались специфические условия района разработки, которые включают следующие компоненты:

– установление стабильности условий поверхности, топографии и дренажа, которые были бы совместимы с окружающим ландшафтом, контролирование наносов и защита качества поверхностных вод;

– создание необходимых условий, способствующих формированию устойчивой растительности;

– посев и посадка растений на нарушенных площадях с использованием видов местной флоры;

– уход за рекультивированным участком и мониторинг за участком до образования устойчивого почвенно-растительного покрова.

На техногенных землях в результате хозяйственной деятельности изменены гидрологический режим и рельеф местности, разрушен почвенный покров, уничтожена растительность (Шишов, 2004). По классификации природно-техногенных ландшафтов исследуемая территория относится к крупно-карьерно-отвальным (Добровольский, 1985).

Выбранный для опытных работ участок отвала расположен восточнее карьера вблизи подъездных дорог и отвала руды. Он представляет собой техногенный холм высотой до 30 м и с углом откоса до 40° (рис. 4.9). Поверхность отвала отсыпана пустыми породами и спланирована бульдозером, состоит из многочисленных борозд, а также остаточных куч грунта.

Рис. 4.9. Общий вид опытного отвала

Грунты отвала имеют щелочную среду и бедны биогенными элементами, выявлено незначительное содержание подвижного фосфора. Химическими анализами установлено незначительные превышения ПДК и коэффициента фитотоксичности по элементам 2 и 3 класса опасности – бора, меди и ванадия (Отчет…, 2011).

Растительность поверхности отвала полностью уничтожена тяжелой техникой, выполняющей вывоз грунтов на строительство дороги. По откосам произрастают единичные экземпляры ив, разнотравья.

Все вышеуказанные условия отвала позволяют нам проводить работы по биологической рекультивации.

Основным из аргументов выбора является то, что по отвалу проходит автодорога для транспортировки необходимых для рекультивации материалов и оборудований.

Высота отвала средняя, площадь небольшая.

Поверхность отвала выровнена на 50 %, вторая часть состоит из крупно-глыбистых пород. Грунты сильно уплотнены техникой, что препятствует росту и развитию растений.

Химическая характеристика грунтов и почвогрунтов исследуемых отвалов отражена в табл. 4.5 (Данилов, Петров, 2012).

Таблица 4.5

Физико-химические показатели грунтов и почвогрунтов отвалов карьера «Айхал» (данные П.П. Данилова, А.А. Петрова, 2012)

№ п/п	Номер пункта опробования	Глубина опробования, см	рН водн.	Собщ., %	Р2О5, мг/100 г (по Мачигину)	Сухой остаток, % маc
Шифр методики			26423–85	26213–91	26205–91	26423–85
Отвал на юго-западной части карьера
1	01/1	0–10	7,6	0,87	0,76	0,44
2	01/2	0–10	7,6	0,78	1,80	0,43
3	01/3	0–10	7,7	0,49	2,56	0,38
Отвал на северо-западной части карьера
4	02/1	0–10	8,4	0,17	1,24	0,04
5	02/2	0–10	8,3	0,41	0,92	0,05
6	02/3	0–10	8,7	0,38	0,60	0,03

Реакция среды в большинстве случаев слабо- и сильнощелочная, что влияет на физико-химические свойства грунтов и подавляет микробиологическую активность.

Грунты отвалов бедны биогенными элементами. Выявлено незначительное содержание подвижного фосфора и определен сухой остаток, распределение которых не подчиняется закономерностям (Агрохимические…, 1975; ГОСТ 28168–89, ГОСТ 17.4.4.02–84, ГОСТ 17.4.3.01–83 (СТ СЭВ 3847–82; Аринушкина, 1970; Александрова, 1967).

Образовавшийся на поверхности отвалов в результате выветривания незначительное количество мелкозема имеет в основном гранулометрический состав, относящийся в основном к легкому суглинку (Миронова и др., 2012). Количество физической глины недостаточно для проведения рекультивационных мероприятий. Имея маломощный профиль, грунты отвалов в морфологическом строении однородны и не дифференцируются на четко выраженные слои.

По результатам полуколичественного анализа выявлены незначительные превышения установленных норм ПДК и коэффициента фитотоксичности по некоторым элементам. К ним относятся химические элементы 2 и 3 класса опасности – бор, медь и ванадий. Незначительное превышение установленных норм ПДК по меди, на наш взгляд, не создает барьера при восстановлении растительного покрова.

Таким образом, превышений установленных норм ПДК и коэффициента фитотоксичности в грунтах и почво-грунтах отвалов не зафиксировано, за исключением меди, содержание которого в некоторых участках отвалов превышает норму ПДК на 1,8 раз.

Грунты и почвогрунты по классификации вскрышных и вмещающих пород для биологической рекультивации земель по физическим свойствам и химическому составу относятся к малопригодным для сельскохозяйственного использования (ГОСТ 17.5.1.03–86).

Растительность отвалов находится на начальной стадии сукцессионного развития (Миронова, 2000). Лишены растительности более свежие высокие отвалы и их откосы, а также промышленные площадки, где проведено частичное выравнивание поверхности (технический этап рекультивации) и привело к сильному уплотнению грунта, который препятствует закреплению семян и росту растений.

Не выровненные участки старых отвалов начали зарастать до 10–30 % проективного покрытия с доминированием хамомиллы (ромашки), хвоща, встречаются единичные экземпляры звездчатки, смолевки-хлопушки, ячменя гривастого, иван-чая, бескильницы Гаупта. Местами появляются подрост лиственницы и ив высотой до 15 см.

Между отвалами и по магистральным откосам зарастанием охвачено до 30 % участков. Травостой состоит из бескильницы, ячменя, иван-чая и хвоща полевого. Подрост ивы и лиственницы достигает высоты до 150 см. На обследованной территории до настоящего времени не отмечены устойчивые сообщества растительности.

В общую технологию биологической рекультивации входит (ГОСТ 17.5.3.04–83):

– после технической рекультивации при неровностях необходимо проводить частичную планировку поверхности для создания условий, достаточных для предпосевной подготовки почвы и проведения посевов.

– внесение органических и минеральных удобрений;

– подготовка делянок к посеву или посадке; порядок подготовки участка к посеву определяется его размерами, конфигурацией и крутизной откоса.

– посев семян или посадка саженцев фитомелиоративных растений без предварительного нанесения плодородного слоя. Посев может выполняться вручную или сеялками различных модификаций для посева трав и производится рано весной, летом или осенью под зиму.

Посев семян имеет следующие преимущества:

1) растениям легче с первых этапов жизни адаптироваться к почвенным и природным условиям;

2) посев семян можно проводить с ранней весны до поздней осени. Оставшиеся семена можно сеять в следующем сезоне;

3) травяная смесь составляется из отобранных семян растений;

4) посев семян – самый дешевый способ создания зеленых насаждений;

Недостатки:

1) молодым растениям угрожает много опасностей (птицы, животные и т.д.), поэтому необходимы дополнительные меры по их защите;

2) дороговизна цен семян растений при отсутствии местных питомников;

– уход за посевами;

– уход за рекультивированным участком.

При рекультивации отвалов карьера «Айхал» следует учитывать следующие условия:

– на поверхности отвалов в результате сноса снежного покрова ветром создаются неблагоприятные условия для перезимовки растений;

– по сравнению с другими регионами препятствие создают и суровые климатические условия и сильные ветры;

– небольшой выбор посадочного материала из дикой флоры;

Разрабатываемые способы биологической рекультивации должны соответствовать природно-климатическим условиям региона и почвогрунтов. Рекомендуемые природные и искусственные материалы, должны быть недорогими и близкими к природным.

Биологическая рекультивация на отвалах АГОК проводится в природоохранном и санитарно-гигиеническом направлениях и включает следующие мероприятия:

– посев семян трав и посадка саженцев лесных пород и кустарников;

– внесение удобрений;

– систему ухода за посевами и посадками;

Посев и посадка растений включают:

– подготовка грунтов (лунок) к посеву или посадке;

– подбор ассортимента растений для посева и посадки;

– покупка семян и приобретение посадочного материала;

– выбор способов посева и посадки;

– определение норм посева и посадки;

По рекомендациям ученых разных стран в начальной стадии рекультивации необходим в первую очередь посев семян бобовых в сочетании со злаками и одно-, двухлетним разнотравьем, в частности крестоцветными. Бобовые и крестоцветные дополняют друг друга в азотном обмене.

Из бобовых пионерными видами для освоения нарушенных территорий являются донник, клевер и люцерна.

Из злаков рекомендуются мятлик, костер, овсяница. Целесообразно применение бобово-злаковых травосмесей, поскольку бобовые дают глубокую корневую систему, и их мелиоративное воздействие проявляется главным образом в более глубоких слоях, тогда, когда 60–90 % корневой системы злаков сосредоточено в слое глубиной до 20 см.

При отборе семян необходимо учесть эколого-морфологические особенности видов-рекультивантов: достаточная зимостойкость, способность образовать прочную дернину на длительное время, быстрый рост, ежегодное плодоношение, высокая всхожесть семян и другие.

В Мирнинском районе оптимальным будет посев семян бобовых (клевера, донника, люцерны), злаков (пырейника, костра, овса) и разнотравья (ромашки, крестоцветных, полыни), семена которых нами собраны на зарастающих старых отвалах.

В Якутии нет питомников, выращивающих растения для рекультивации, поэтому рекомендуется использовать естественные древесно-кустарниковые растения, а также виды и сорта культурных растений, приобретенных в специализированных хозяйствах или ботанических садах. Следует подчеркнуть, что для рекультивации эффективно приобретение видов, интродуцированных в условиях Якутии и семена диких растений, которые отличаются широким диапазоном приспособления к условиям существования, могут расти на отвальных грунтах.

На опытном участке отвала посадку и посев растений проводили ручным или механизированным путем.

Простым способом ручного посева семян является посев вразброс, но при этом многие семена остаются на поверхности почвы и большей степени испытывают на себе недостаток влаги, поэтому всходы могут быть несколько худшего качества.

Лучшие результаты дает рядовой способ посева (больше проективное покрытие травостоя, меньше доля сорняков). Рекомендуется 2 варианта посева:

– широкорядный посев с междурядьями 60 см;

– рядовый посев с междурядьями 15 см.

Посадки саженцев и семян древесно-кустарниковых пород целесообразно проводить после мелиоративной стадии биологической рекультивации, через 3–4 года.

Основными типами посадок являются массивные, рядовые, групповые, одиночные, аллейные.

При создании ландшафтно-защитных посадок эффективно проведение группового или куртинного размещения пород. Величина отдельных куртин (групп) может варьировать от 0,1 до 0,3 га.

Посадка полосами или рядами в виде кулис проводится перпендикулярно господствующим ветрам. В каждом кулисе следует размещать по 5 рядов с расстоянием между рядами 0,5 м, а между кулисами – 15 м. После посадки кулис в междурядьях проводится посев трав.

При посадке используются саженцы кустарниково-древесных пород. Лучшие результаты дают посадки 2–3-летними сеянцами хвойных и 1–2-летними сеянцами лиственных пород. Крупномерный посадочный материал (4—6-летние) приживается в условиях техногенного ландшафта хуже, и дает первые годы прирост ниже, чем стандартные сеянцы. Высокой приживаемостью отличаются виды из питомников с бедными почвами. Быстро укореняются однолетние черенки тополя, а у ивы – колья зимней заготовки длиной 30–40 см.

При посадке деревьев и кустарников размер ям составляет 40×40 см, глубина – 30 см, расстояние между деревьями примерно 1–2 м, между полосами или рядами – примерно 5–10 м. Саженцы высаживаются в подготовленные лунки вручную. После посадки обязателен полив или посадку нужно производить во время дождя. Посадка 1–2-летних сеянцев производится в ямах размерами 25×25×25 см.

При подборе древесных и кустарниковых пород и установлении типов лесных культур для облесения техногенных земель, предпочтение следует отдавать смешанным насаждениям, которые биологически устойчивы и полнее используют почвенные и атмосферные ресурсы, чем однородные. В состав лесопосадок необходимо вводить до 30–35 % кустарниковых видов.

Состав и нормы высева семян трав подбирают с учетом природно-климатических условий, формы рельефа, крутизны склонов, обеспеченности влагой. В условиях Севера норма высева семян составляет 15–20 кг/га монокультуры или до 30 кг/га травосмеси.

Посев семян целесообразно производить в раннелетний (первая половина июня) и осенний период (начало августа).

Семена кустарников и деревьев высевают под мотыгу в лунки или ручной сеялкой – тростью в норме 0,5–0,8 кг/га и глубиной заделки 2–2,5 см.

Оптимальные сроки посадки растений – весна и осень. В Якутии хорошо выживают местные деревья и кустарники, пересаженные после облиствения до середины июня и в августе – сентябре.

Нормы посадок кустарниково-древесных растений зависит от рельефа и метода посадок.

Основными методами посадки растений на поверхности отвала являются: посадка саженцами, посадка черенками и комбинированная посадка.

На отвалах рекомендуются все методы или их комбинация.

Для достижения быстрого смыкания крон и закрепления поверхности рекомендуется равномерная посадка саженцев по площади (1×1 м; 1×1, м). При механизированной посадке ширину междурядья необходимо увеличить до 2–3 м или создавать куртины.

Нами на опытных отвалах разреза «Нерюнгринский» выдержана норма посадки 500–1000 шт./га (Миронова и др., 2012). Норма посадки черенками составляет 1000–5000 шт./га, она также будет корректирована по результатам опытных работ. В участках, окруженных лесами, густоту посадки саженцев можно уменьшить до 500–600 шт./га.

Посев и посадку растений на доступных транспорту площадях осуществляют лесопосадочными машинами, а на остальных – вручную под меч Колесова или под лопату.

Преодоление неблагоприятных экологических условий возможно 2-мя путями: улучшение свойств субстрата и подбор подходящего для этих условий ассортимента видов. Улучшения свойств грунтов на отвалах весьма ограничены и сводятся к применению комплекса минеральных и органических (при их наличии) удобрений.

На бедных питательными веществами субстратах внесение минеральных или органических удобрений обязательно для удовлетворительного роста и развития посадок или посевов.

Учитывая бедность техногенных пород питательными веществами, перед лесопосадками необходимо внесение минеральных удобрений в посадочные лунки и ямы или междурядье. Основными минеральными удобрениями являются: азотные – карбамид (мочевина), фосфорные – двойной суперфосфат (гранулированный).

Норма внесения удобрений составляет 80–150 кг/га при посеве или сразу после посева трав поверхностно.

На рекультивированных участках в течение первых 2–5 лет обязателен уход за посеянными участками, который состоит из:

– ежегодной подкормки трав азотным или комплексным удобрением в дозе 45–60 кг/га; удобрения должны вноситься весной или осенью (особенно первые 3 года).

– полива, особенно в сухие годы;

Уход за саженцами включает:

– обязательный полив, не повреждая корней, в летнее время и в засушливые годы;

– первые годы после посадок желательно внесение минеральных удобрений 60–90 кг/га;

– замена засохших саженцев и черенков;

Уход за посевом или посадками осуществляется до полного задернения растений в зависимости от общего состояния техногенной площади. При нормальном уходе кустарники приживаются к почве через 2–3 года.

Биологическая рекультивация при природоохранном направлении считается завершенной при достижении общего проективного покрытия травостоя 50–60 %.

На рекультивированных участках после проведения биологической рекультивации предусматривается слежение (мониторинг) за изменениями физических, химических и биологических свойств искусственно созданных почвогрунтов, степенью развития сукцессии биоценозов в условиях рекультивации, а также степенью освоения и зарастания участков.

При проведении опытно-экспериментальных работ на отвале отобрано 7 способов (методов) биологической рекультивации, в том числе 4 с применение нетрадиционных материалов с 2–4 вариантами каждого, всего 16 площадок. Схема опытов представлена в приложении 3:

Способ 1. Применение старики.

Способ 2. Применение метода гидропосева на откосах.

Способ 3. Применение биомата.

Способ 4. Применение отходов КОС (канализационных очистных сооружений).

Способ 5. Применение конского навоза.

Способ 6. Использование смеси перегноя и песка.

Способ 7. Фоновый участок.

Опытные участки размерами 10×10 м заложены как на поверхности отвала, так и на откосах.

Перед заложением опытов проведено обследование участков с выполнением геоботанических описаний на всех опытных площадках. Отмечались общее проективное покрытие в %, средняя высота, видовой состав, проективное покрытие каждого вида в баллах, средняя высота. Произведено фотографирование каждого участка.

Применение навоза и перегноя с песком входят в традиционные методы биологической рекультивации и показывают положительные результаты уже в первый год, но их применение в условиях Айхала не возможно из-за их отсутствия. Поэтому мы останавливаемся на четырех способах биологической рекультивации с применением нетрадиционных материалов – старики, гидропосева, использования КОС и биоматов.

Применение старики при биологической рекультивации отвалов

Старикой или ветошью называют сухую прошлогоднюю траву на лугах. Многие сельскохозяйственные прибегают к самому дешевому способу очистки сенокосов и пастбищ или утилизации отходов – выжиганию, а мы предлагаем ее использовать при биологической рекультивации.

В состав старики обычно входят все не скошенные растения или отава после сенокошения, это луговые злаки (ячмень, пырей, овсяница, вейники, лисохвост), бобовые (мышиный горошек, астрагалы, эспарцет, донники, клевера) и разнотравье (тысячелистник, кровохлевка, хвощи, подмаренники, полыни и т.д.), а также осоковые.

По долине р. Сохсолох старика состоит из таких луговых видов, как вейники (наземный, Лангсдорфа), осоки (незамечаемая, ситниковая, зимующая), лисохвост луговой.

Технология реализации способа имеет следующие этапы:

1 – подготовка опытных площадок;

2 – сбор старики;

3 – выравнивание поверхности опытных делянок;

4 – внесение минеральных удобрений;

5 – подготовка посевных рядов и посев семян растений;

6 – укрытие посеянных делянок старикой и закрепление ее грунтами;

Для данного опыта подготовили 2 деляны размерами 10×10 м. Одну – на повышении, другую – в понижении поверхности отвала.

Сбор старику производили граблями и перевозили до опытной площадки на машине (рис. 4.10). Всего было собрано 45 пакетов старики.

Рис. 4.10. Сбор старики и упаковка

На выровненной граблями поверхности проводили внесение минеральных удобрений – азофоски в дозе 100 кг/га действующего вещества азота (д.в.). На подготовленных делянах палками параллельным рядовым методом выполнили посев семян трав. Ряды, расстояния между которыми составляет 0,5 м, расположены так, чтобы препятствовать эрозионным процессам.

После посева семян на опытных участках произвели их укрытие старикой. Применение старики на опыте является ноу-хау данного способа биологической рекультивации. В литературе не приведен опыт ее использования при рекультивационных работах, но население использует сухую траву для огорода с целью защитить семена от воздействия ветра и солнца, задержать влагу и рост сорняков.

Для рекультивации отвалов данный способ имеет следующие преимущества:

– доступность использования луговых отходов – старики т.к. сбор ее можно производить везде по долинам рек, даже на самих зарастающих отвалах и в любое время посевов – весной и осенью;

– экономическая эффективность способа – бесплатная старика, можно ее собрать каждую осень или весной;

– в условиях отсутствия на отвалах регулярного полива посевов, старика будет задерживающим влагу экраном за весь летний сезон, а зимой будет служить защитным слоем от морозов и ветра, а также окажет позитивное противоэрозионное воздействие;

– при росте и развитии растений старика задержит рост сорняков, легко распространяемых и препятствующих другим видам растений, будет защитой и для удобрений;

– для отвальных грунтов старика будет дополнительным субстратом, а при гниении – она питательный субстрат;

Предварительные результаты опыта нами получены уже осенью:

– старику эффективно использовать сначала с посевом одно-многолетний растений, т.к. в первый сезон всходят семена однолеток, а затем появятся и многолетние травы;

– в условиях сухого лета 2011 года и в отсутствии полива всходы появились в августе (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Первые всходы семян овса на опытном участке со старикой

На площадке, расположенной на повышении среднее проективное покрытие травостоя составляет 40 %, средняя высота – 30–40 см.

В травостое доминирует однолетник овес посевной – до 70 %, высота доходит до 60 см. Появляются всходы донника белого (до 50 %, высота до 10 см) чаще под старикой, появляются единичные экземпляры ромашки аптечной, мари белой, полыни монгольской, дескурайнии гулявниковой, лебеды раскидистой, горца.

На площадке в понижении среднее проективное покрытие равно 20 %, средняя высота – 15 см. Здесь начинают появляться ростки тех же видов, но в меньшем обилии. Высота также ниже. Овес здесь растет в одинаковой доле с другими.

Установлено, что наиболее эффективно использовать старику в сочетании с посевом одно-многолетних растений, так как в первый сезон всходят семена однолетних растений, в последующие годы многолетних трав.

Результаты биологической рекультивации с применением старики отражены в приложении 3.

Применение метода гидропосева на откосах отвала. Биологическая рекультивация нарушенных земель на северных территориях обычно проводится методом залужения, т.е. искусственного посева семян многолетних трав.

Гидропосев – это разбрызгивание водного раствора с семенами и удобрениями по поверхности участка. Рабочую смесь, состоящую из семян многолетних трав, минеральных удобрений, мульчирующих и пленкообразующих материалов и воды, наносят тонким слоем на откосы земляного полотна со специально оборудованного автомобиля. На небольших площадях можно поливать вручную.

Работа по гидропосеву состоит из следующих операций:

– подготовка рабочей смеси;

– заправка гидросеялки;

– нанесение рабочей смеси на поверхность.

Рабочая смесь для гидропосева состоит из:

– мульчирующего материала, экологически безопасного и разлагаемого материала для визуального восприятия качества нанесения во время работы (отсутствие пропусков, равномерность);

– клейковины – экологически чистого вещества, являющегося связующим материалом для мульчирующих компонентов и при высыхании образующее «защитную корку»;

– комплексных минеральныхе удобрений;

– травосмесь, специально подобранная для конкретных условий произрастания.

Мульчирующий материал, как правило, изготовленный из древесной или бумажной массы, смешивается с водой, семенами, удобрениями и прочими добавками в машине для гидропосева. Эта смесь затем распыляется на почву, образуя покров. Покрытие из мульчи сопротивляется процессам эрозии, удерживает влагу и способствует начальному прорастанию семян и укреплению ростков. С прорастанием семян и ростом, волокна мульчирующего материала разлагаются, органически обогащая почву. Мульча создает наилучшую питательную среду для семян на самых ранних этапах роста.

Преимущества метода – гидропосев может применяться для различных нужд, причем зачастую он не имеет альтернативы. Он выполняется в один прием, и позволяет закрепить и предотвратить водно-ветровую эрозию грунтов различных труднодоступных поверхностей (откосы отвалов и их поверхности) посевом многолетних трав. Подготовка почвы перед проведением гидропосева минимальна.

По типу жизненного цикла соотношение однолетников (ромашка, овес), двулетников (донник) и многолетников (люцерна, клевер ползучий, клевер люпиновый, овсяница, пырейник) составляет 2:1:5. Норма высева равна 35 кг/га, всхожесть семян равна 70 %. В раствор внесены минеральные удобрения (азофоска) в дозе 100 кг/га.

В качестве мульчирующего материала использовались древесные опилки, просеянные через сито с ячейками 10×10 мм. В качестве клейковины и пленкообразующего материала использован картофельный крахмал.

Воду для рабочей смеси брали из искусственного водоема на отвале. Расход мульчирующих материалов, эмульсий и воды на 1 м2 откоса составил:

Мульчирующие материалы, кг:

опилки 0,4

Пленкообразователи:

крахмал, кг 0,04

Минеральные удобрения, кг 0,05

Вода, л 5

Для приготовления травосмеси семена трав взвешивались и перемешивались в полиэтиленовых пакетах, а затем внесли в раствор.

В емкость объемом 200 л при интенсивном перемешивании засыпались древесные опилки, сухие минеральные удобрения, далее в процессе непрерывного перемешивания в рабочую смесь вносился заранее подготовленный раствор крахмала, затем внесли семена трав и перемешивалось до получения однородной суспензии.

Рабочая смесь разбрызгивалась ведрами вручную, дозировано по 10 л, до образования относительно равномерного слоя без пропусков и скопления семян на поверхности откоса, распределение смеси определялось визуально по степени равномерности распределения мульчирующего компонента (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Заготовка смеси для гидропосева и вид участка в первый год опыта

Дальнейший уход за посевами в виде искусственного орошения не осуществлялся.

В августе на откосе отвала были видны лишь единичные начинающие всходы овса посевного.

Причинами плохих всходов могут быть:

– жаркое без осадков лето 2011 г. для данных мест;

– сильная уплотненность грунтов;

– сильные ливневые дожди могут стать причиной смыва семян, особенно если потоки воды проходят по вновь засеянной территории;

– поздняя всхожесть семян;

Осенью 2011 года на опытах не было всходов, а осенью 2012 года появились равномерные дружные всходы травостоя со средним проективным покрытием 25 %, средней высотой 15 см и видовым составом из 7 растений с преобладанием пырейника, овсяницы, мари, и полыни (прил. 3).

Опыт применения отходов осадков сточных вод канализационных очистных сооружений (КОС)

Осадки сточных вод – твердая фракция, состоящая из органических и минеральных веществ, выделенных в процессе очистки сточных вод методом отстаивания (сырой осадок) и комплекса микроорганизмов, участвовавших в процессе биологической очистки сточных вод и выведенных из технологического процесса (избыточный активный ил) (ГОСТ Р. 17.4.3.07-2001).

Многочисленные исследования, проведенные в России и за рубежом, показывают, что применение осадков сточных вод (ОСВ) как удобрение требует дифференцированного подхода, вызванного химическим составом конкретных партий осадков, обусловливающих как удобрительную ценность, так и токсикологическую опасность для окружающей среды. Системы удобрения на основе осадков сточных вод обеспечивают высокую интенсивность баланса азота и фосфора при дефиците калия. Использование ОСВ в качестве органических удобрений регламентируется ГОСТ Р 17.4.3.07–2001 СанПиН 2.1.7.573–96.

Применение КОС для биологической рекультивации отвалов АГОК заключалось в следующем. Эксперимент начали в июне 2011 года на опытном участке № 7, расположенном на поверхности отвала карьера.

Нами выполнены следующие виды работ:

– заложение опытного участка размером 10×10 м;

– предварительная планировка поверхности для проведения опыта (уборка больших валунов, хлама, разравнивание поверхности и т.д.);

– на предварительно подготовленную опытную площадку по возможности равномерно нанесли ОСВ с площадки КОС тр. Юбилейная ориентировочно в объеме 10,0 м3 – при помощи вакуумной машины КO-505A для сбора фекальных жидкостей на базе шасси КАМАЗ-53215. Учитывая неровный рельеф площадки, осадки сточных вод распределились неравномерно со средней мощностью около 20 см. Площадка выстоялась в течение 2-х дней, вследствие чего излишки сточных вод стекли путем естественной фильтрации;

– осадки КОС перемешали с техногенным грунтом, песком и опилками с древесными стружками;

– произвели посев семян с внесением удобрений – азофоска;

– граблями разровняли поверхности опытного участка;

В августе 2011 г. описаны первые положительные результаты по всходам семян на опытном участке (рис. 4.13).

Опыты по применению КОС как способа биологической рекультивации на отвалах алмазных карьеров показали следующие результаты. Среднее проективное покрытие травостоя составляет 30 %, средняя высота – 20 см. Местами проективное покрытие доходит до 50 %. Доминантами первого года посева являются однолетник овес посевной и всходы бобовых (донник) высотой 2–3 см. Видны были единичные экземпляры хвоща полевого, полыней и мари белой.

Осенью 2012 года видовой состав включал 11 видов с преобладанием пырейника, полыней, донника и люцерны, видны даже мелкие ростки ивы корзиночной, это подтверждает увеличение интенсивности заселения растениями на опыте. Проективное покрытие больше на понижениях (до 30 %), где осадки КОС задержались, и меньше (до 10 %) по повышениям. Средняя высота также отличается и меняется в пределах 5–40 см (прил. 3).

Рис. 4.13. Опытный участок с осадками КОС и первые всходы

С целью подтверждения плодородия техногенного грунта с опытного участка были проведены агрохимические исследования. По результатам анализов экспериментальный грунт соответствовал хлоридно-сульфатному типу, слабозасоленному. Реакция почвенного раствора – 7,6; слабощелочная. Содержание гумуса среднее, нитратного азота низкое, подвижного фосфора повышенное. По содержанию обменного калия полученный грунт относится к среднеобеспеченному. Тяжелые металлы – медь, цинк, кадмий, свинец в осадке содержатся в допустимых пределах, ниже допустимых требований ГОСТ Р 17.4.3.07-2001 и СанПиН 2.1.7.573-96.

Предварительные результаты проведенного опыта по использованию осадков КОС показали достаточно высокую перспективность способа, показавшего более 30 % проективного покрытия травостоя на первый сезон. Для получения максимального эффекта от данного способа необходимо ставить эксперименты с различными дозами и видами осадков КОС (например, хозбытовых стоков) и подбора состава грунтовой смеси.

Опыты применения биоматов

Биомат представляет собой 2–3-слойную полностью биологически разлагающуюся основу, между слоями которой уложена рекультивационная смесь, включающая семена многолетних растений, питательные вещества (минеральные и органические удобрения, стимуляторы роста растений, почвообразующие бактерии) и влагоудерживающие компоненты (в виде синтетических полимеров), которые улучшают способность почвы к удержанию влаги. Основой биомата являются полностью или частично биоразлагаемые органические волокна (лен, кокос, джут, солома и др.). Биомат (биополотно), перегнивая, создает благоприятные условия для роста травянистой растительности.

Биоматы производятся и отпускаются в рулонах, что удобно при транспортировке и укладке. Ширина рулона: от 1,5 до 2 м.

Использование биомата, является экологически безопасным для окружающей среды. В состав материала входят компоненты соответствующие СанПин 2.1.7.1287-03, ГОСТ 17.5.3.04-83, ГН 2.1.7.2042-06.

Преимуществами биомата считаются:

– широкие возможности использования;

– органическая основа биомата делает его экологически безвредным;

– в биомате уже присутствуют семена и минеральные удобрения, специально подобранные под определенные почвенные и климатические условия;

– применение в конструкции биомата влагоудерживающих компонентов способствует улучшению водного режима почвенно-грунтового слоя, повышению устойчивости склонов и откосов к эрозии;

– быстрота и удобство использования. Биомат достаточно простой в укладке и в дальнейшем не требует специального ухода.

– экономически выгодно, чем другие способы озеленения, укрепления и защиты.

Благодаря надежности и простоте устройства сооружений сегодня применение биоматов становится привлекательным для рекультивации, озеленения и т.д.

Для проведения опыта по применению биоматов на отвале Айхальского ГОКа был приобретен рулон в московском предприятии НПО «Промкомпозит».

Опыт произведен в 2-х повторностях: на поверхности отвала и на откосе. Биоматы были уложены на площади примерно 4×5 м (рис. 4.14).

В первую очередь подготавливается поверхность. На отвале, где проводились опыты простое выравнивание поверхности, планировка откоса были уже проведены.

Рис. 4.14. Биомат и его укладка

Перед укладкой биомата поверхность была очищена от крупных фракций грунта. Для укладки биомата необходимо: раскатать рулон, отрезать кусок биомата и расстелить его на поверхность. После укладки произведена присыпка биоматов песчаным грунтом. Полива не было.

В августе обследование опытных участков, показало, что большинство семян не проросло. На биомате единично произрастал житняк гребенчатый высотой 30–40 см, на откосе отвала растительность отсутствовала. Причинами были неустойчивость семян иногородних видов в условиях Якутии. Пришли к выводу, что наиболее реальный и экономически выгодный способ – это изготовление собственных биоматов с использованием джутово-льняных полотен, органических и минеральных удобрений и семян местных видов. Так было сделано в следующем сезоне и осенью появились растения, а на следующий год намного увеличили и в видовом составе и в проективном покрытии (прил. 3).

Можно с уверенностью предположить, что в дальнейшем появятся многолетники, т.е. растения обладают устойчивостью к неблагоприятным условиям микроклимата и отрицательным физическим и химическим свойствам грунта, будут развивать корневую систему и обладать способностью к симбиозу с микроорганизмами. Основу биологических показателей травостоя составляют данные проективного покрытия, средней высоты и видовой состав растительности на опытных участках.

Если в первый год хорошие показатели были лишь на опытах по применению старики, то на второй добавились показатели по использованию осадков КОС, гидропосева и использование биоматов.

Общие результаты опытов представлены на рис. 4.15–4.17.

Рис. 4.15. Сравнение показателей проективного покрытия по способам рекультивации

Результаты опытных исследований анализируются по основным параметрам растительного покрова – видовому составу, проективному покрытию, средней высоте и продуктивности.

Сравнительный анализ примененных способов рекультивации на отвале вскрышных пород показывает следующее: среднее проективное покрытие травостоя на участках со старикой и перегноя с песком более 2 раз выше, чем на остальных опытных участках, и составляет 50 % (рис. 4.9).

Показатели средней высоты травостоя по способу старики также в 2 раза выше, чем на других участках и составляет 45 см (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Сравнение показателей средней высоты травостоя по способам рекультивации

Одним из достоверных показателей степени заселения растений является видовой состав травостоя. На рис. 4.17 также видно высокое число видов на участках старики (17 видов) уже на второй сезон посева.

Опыты показали, чтобы воссоздать плодородие рекультивируемых грунтов, вначале можно высевать травы, не предъявляющие высоких требований к почвенным условиям, т.е. сорные и злаки-однолетники (овес посевной) как быстро распространяющиеся и многосемянные.

Рис. 4.17. Сравнение показателей видового состава по способам рекультивации

Таким образом, по результатам двулетних (2010–2012 гг.) опытно-экспериментальных работ на отвалах Айхальского ГОКа более высокие показатели биологической рекультивации без нанесения плодородного слоя получены в трех способах опыта: при применении старики, использовании осадков КОС и при гидропосеве.

По результатам опытов нами получены патенты на изобретения (№ 2462854 и № 2497608).