Биологическая рекультивация нарушенных земель

Содержание

Введение

1. Общие положения  рекультивации нарушенных земель

2. Технологии биологической рекультивации

3.Сельскохозяйственное  направление биологической рекультивации

4. Лесохозяйственное  направление биологической рекультивации

Литература 

Введение

Рекультивация  в нашей стране рассматривается как одно из важнейшихнаправлений в охране природных и в том числе земельных ресурсов.

Много ценных угодий выбывает из-за выделения значительных территорий под объекты промышленности, инфраструктуры городов. За всю историю человеческое общество потеряла 200 млн га естественных угодий для аграрного использования. Сейчас ежегодно для несельскохозяйственных нужд отводится 5-7 милл га, для индустриальных целей изъято около 50 млн га, пригодных для сельского хозяйства. На перспективу для несельскохозяйственных пользователей нужно 19 милл га, в том числе 30% сельскохозяйственных угодий. Наибольшие массивы теряются при строительстве гидроэлектростанций,  торфяных  и  горнорудных разработках, .

Площади таких земель в 100 раз превышают собственно площадь, занятую разработками. В дальнейшем из сельскохозяйственного оборота изыматься еще больше земель, поскольку растет добыча угля и руды открытым способом, строительство железных и автомобильных дорог, аэродромов, хранилищ, мелиоративных систем и т.п. Для обеспечения минимальных потребностей сельской местности в дорогах с твердым покрытием их надо построить около 400 тыс. км.

Рекультивация земель занимает важное место в системе мер по охране почвы и естественной среды в условиях интенсивной хозяйственной деятельности человека. Чем шире размах строительства, освоения новых районов, тем больше значение своевременной и полноценной рекультивации земель.

1.Общие положения рекультивациинарушенныхземель

Рекультивация   земель  - комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и народохозяйственной ценности нарушенных земель, атакже на улучшение условий окружающей среды. На действующих предприятиях, связанных с нарушением  земель ,рекультивационные работы должныбыть неотъемлемой частью технологических процессов,

Направления  рекультивации : определенное целевое использование рекультивированных  земель  в народном хозяйстве, :

- сельско-хозяйственное - создание на нарушенных землях сельскохозяйственных угодий(пашен, сенокосов, пастбищ и др.);

- лесохозяйственное - создание лесных насаждений различного типа;

- рыбохозяйственное - создание в понижениях техногенного рельефа рыбоводческих водоемов;

- водохозяйственное - создание в понижениях техногенного рельефа водоемов различного назначения;

- рекреационное - создание на нарушенных  землях  объектов отдыха;

- санитарно-гигиеническое, которое предусматривает биологическую или техническую консервацию нарушенных  земель , оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду,  рекультивация  которых для хозяйственного использованияэкономически не эффективна;

- строительное - приведение нарушенных  земель в состояние, пригодное для промышленного и гражданского строительства.

Технический этап  рекультивации  - этап  рекультивации   земель , включающий их подготовку для последующего целевого использования в народномхозяйстве, .

Стадии  технического этапа  рекультивации   - Планировка. Формирование откосов. Снятие, транспортировка и нанесение почв и потенциально плодородных пород на рекультивируемые  земли . Строительство дорог, гидротехнических и мелиоративных сооружений и др.

Основные  типы нарушенных промышленностью земель :

1. Нарушенные  земли горнодобывающей промышленности:

- промышленные  отвалы, образованные при добыче  железной руды;

- промышленные  отвалы, образованные при добыче  медной руды;

- промышленные  отвалы, образованные при добыче  угля;

- глубокий (до 500 м) угольный разрез.

2. Нарушенные земли предприятий перерабатывающей промышленности:

- золоотвалы (шлакоотвалы)  тепловых электростанций, работающих  навысокозольных углях;

- шламохранилища  после обогащения железной руды  и руд цветных металлов;

- отвалы отходов  литейного производства. 

Рекультивация  проводится в 3 этапа на территориях, нарушенных открытыми горными работами :

Этап I - подготовительный. Обследование и типизация нарушенных территорий, изучение специфики условий, определение направления рекультивации.

Этап II - горнотехнический. Рациональное формирование поверхностиотвалов и карьеров.

Этап III - биологическая  рекультивация . Сюда входит окончательное восстановление плодородия и биологической продуктивности нарушенных  земель,создание сельскохозяйственных и лесохозяйственных угодий, разведение рыбыв водоемах, дичи в созданных лесах, т. е., иными словами, создание культурфитоценозов различного назначения.

2.Технологии биологической  рекультивации 

Биологический этап  рекультивации  - этап  рекультивации   земель, включающий мероприятия по восстановлению их плодородия, осуществляемые после технической  рекультивации  . К нему относится комплекс агротехнических ифитомелиоративных мероприятий, направленных на возобновление флоры ифауны.

Особую ценность имеют работы по биологической  рекультивации  в техслучаях, когда нарушенными оказываются бывшие сельскохозяйственные угодья.

Наметившиеся  тенденции к сокращению площади  пашни, приходящейсяна душу населения при одновременном увеличении его численности, ставитпроблему сохранения и восстановления  земель  для сельскохозяйственных нуждв число первоочередных.

Далеко не все виды высших растений могут нормально расти  и развиваться в условиях специфической  среды субстратов промышленных отвалов . Так, для установления ассортимента видов, пригодныхдля фитомелиорациизолоотвалов, было испытано более 230 видов, а засоленных красных шламов - 160 видов, из которых признано пригодными для указанной цели соответственно 30 и 8. Столь же специфичны по экологическим условиям и отвалы, возникающие при открытой добыче полезных ископаемых.

Для облесения отвалов  целесообразно использовать олиготрофные виды,т. е. виды малотребовательные к  плодородию почвы (например, сосна обыкновенная, береза бородавчатая и др.). Наличие  симбиотических отношений междудревесными растениями (сосна, лиственница, березы) и микоризообразующимигрибами или между бобовыми травянистыми видами (клевером, люцерной,донником и др.) и клубеньковыми бактериями способствует улучшению ростарастений в неблагоприятных условиях среды .

Олиготрофность видов, а  также их засухоустойчивость и солеустойчивость являются важными характеристиками при выборе ассортимента видовкак для лесной, так и для сельскохозяйственной  рекультивации .

Надо учитывать и дополнительный экологический фактор - такой, как загрязнение атмосферы промышленными выбросами. У растений отсутствуюткакие-либо специальные механизмы приспособления к таким факторам среды,они эволюционно не выработаны, так как бурный рост видов загрязнения и ихинтенсивности наблюдается во второй половине XX в.Как правило, растения, устойчивые к действию одного загрязнителя, поражаются другими ингредиентами промышленных выбросов. Отсутствие растений, комплексно устойчивых к загрязненной атмосфере, заставляет индивидуально подходить к подбору ассортимента видов для данных условий.

Наибольший эффект биологической  рекультивации  может быть получен при использовании видов широкой экологической амплитуды, способных в короткийсрок сформировать высокопродуктивное растительное сообщество .

Помимо разработки биологических  аспектов проблемы, возникает необходимость  решения вопросов, относящихся к  области опытно-агрономическихисследований (норма высева - 3-4-кратная, смешанные  или одновидовые посевы, способы посевов и посадок, гидропосев и т. д.).

Гидропосев  имеет определенные преимущества перед  обычным способомпосева, особенно при укреплении отвалов и бортов карьеров от водной и ветровой эрозии, где возможности механизации работ ограничены или очень трудоемки .

Сельскохозяйственные  угодья на отвалах могут создаваться  двумя способами:

- на грунтах  (субстратах), свойства которых улучшаются  путем покрытияих гумусированным слоем почв;

- непосредственно  на грунтах, складированных в  отвалы.

Грунты (субстраты) отвалов в своем большинстве малопригодны для роста и развития растений, т. е. грунты и субстраты отвалов не обладают основнымсвойством почв - эффективным плодородием.

           В.В. Докучаев писал, что следует разуметь под почвой исключительнотолько те дневные и близкие к ним горизонты горных пород, все равно каких,которые были более или менее естественно изменены взаимным влиянием воды, воздуха и различного вида организмов - живых и мертвых. Где этого условия нет, там нет и естественных почв, а есть или искусственная смесь, или чисто горная порода .

Одним из наиболее распространенных способов улучшения  грунтов (субстратов) для сельскохозяйственного  освоения является так называемое землевание, т. е. нанесение на поверхность отвалов  гумусированного слоя почвыили пригодных для выращивания растений грунтов разной мощности. Так, рядисследователей считают, что этот слой должен быть 0,5-1,0 м. По мнению других - 1,5-2,0 м. Можно представить, во сколько раз подорожает горнотехнический этап  рекультивации . Да и не везде можно найти такое количество плодородной почвы для нанесения.

Эксперименты  доказали, что во многих случаях  бывает достаточно 35-40 см. Но и при таком слое затраты значительны.При токсичных породах (например, сульфидсодержащих) землевания бывает недостаточно. Требуется экранировать эти грунты глинистыми породамислоем 15-20 см для создания водоупора, чтобы токсичные вещества не поступали в плодородный слой. Эта мощность в условиях промывного типа водногорежима достаточна, в условиях выпотного необходимо ее увеличение до 2-3 м .

Если подобрать  соответствующий ассортимент культур  и применить технологию внесения трех норм NPK или микробиологического  препарата (технология ВНИИОСуголь МУП СССР, г. Пермь), можно добиться хороших результатов без землевания или с минимальным землеванием.

Например, ВНИИОСуголь  в Кизеловском угольном бассейне в 1970-х гг.разработал и внедрил  технологию ускоренной биологической  рекультивации (Красавин, Хорошавин, Катаева, 1982; 1985; 1988), которая предусматривала:

1) нанесение  на поверхность отвалов обезвреженных  бытовых осадков силовых площадок  городских очистных сооружений - бытовой осадок содержитбиогенные  элементы (азот, фосфор, калий), необходимые  для стартового развития микрофлоры, которая, в результате своей жизнедеятельности (метаболизма), оказывает стимулирующее влияние на рост и развитие высших растений;

2) внесение гуминового  препарата, полученного на основе  использованияугольных отходов  и культуры микроскопических  организмов;

3) посев смеси многолетних трав: костреца безостого, донников – белогои желтого.

Выбор указанных  растений обусловлен следующими факторами. Кострецхарактеризуется высокой биоэкологической устойчивостью, обладает мощнойкорневой системой, хорошо задерживает влагу и устойчив к вымерзанию; донник выбран как растение, способствующее накоплению азота в почвогрунтах.

В отвальный  грунт вносятся микроорганизмы, которые  участвуют в процессах превращения азота и фосфора, т. е. переводят азот и фосфор из труднодоступных в доступные для растений формы, а также способствуют разрушению минералов и тем самым почвообразовательному процессу. В период всходов и кущения рекультивируемые участки инокулируются комплексом микроорганизмов, которые образуют и выделяют различные органические вещества,аминокислоты и витамины, крайне необходимые растениям в период всходов икущения.

Эта ускоренная  рекультивация  дала положительный результат: рН средывозрос с 2-3 до 7, вес сырой биомассы на опытных участках с инокулятом составил 195,4 ц/га.Широкое внедрение в практику данного способа позволит повысить плодородие отвальной породы, в более короткие сроки создать на шахтных отвалахустойчивые биогеоценозы без нанесения плодородного слоя почвы.

Многолетние травянистые  растения должны возделываться с первых летпосле окончания формирования поверхности отвалов. Это доказано работаминемецких, чешских и других исследователей. Вместе с формированием значительной фитомассы, подземная часть которой обогащает грунты перегноем,многолетние травы препятствуют эрозии грунтов. Это важное свойство позволяет использовать многолетние травы и при создании растительного покрова наоткосах бортов карьеров

3.Сельскохозяйственное направление

биологической  рекультивации

          Сельскохозяйственное направление биологической  рекультивации  - создание на нарушенных  землях  сельскохозяйственных угодий (пашен, сенокосов,пастбищ и др).

            В числе наиболее стойких и перспективных растений, которые рекомендуются для посевов и посадок на отвалах хозяйственно ценные растения: люцерна синегибридная, эспарцет песчаный, клевера белый и луговой и т.п.

Горнотехнический этап  рекультивации  включает в себя работы по планировке поверхности отвалов (созданию рельефа), нанесению плодородного илипотенциально плодородного слоя, внесению основного минерального удобрения.

Биологический этап  рекультивации  включает в себя посев многолетнихтрав, посадку древесных и кустарниковых видов, уход за ними.

В ходе длительных исследований была доказана возможность улучшениясвойств субстратов с помощью различных приемов . Возможны следующие основные приемы обогащения поверхности отвалов необходимыми для роста и развития растений питательными веществами.

1. Прием землевания - нанесение  на поверхность отвалов почвы,  торфаили потенциально плодородного грунта, толщина слоя которых может колебаться от 2-4 см (на золоотвалах) до 20-50 см и более (на породных отвалах).При землевании поверхность отвалов может покрываться как равномернопо всей площади, так и полосами, причем полосы с покрытием шириной 6-10 мкаждая чередуются с такими же по размеру полосами без покрытия. Оба типаполос располагаются поперек господствующего направления ветров. Полосы спокрытием засеваются многолетними травами, а также практикуются посадкидеревьев и кустарников. Такой способ покрытия дает экономию как посевногои посадочного материала, так и наносимого покрытия.

2. Внесение полного минерального  удобрения (NРК) с учетом имеющегося  содержания питательных веществ  в субстрате, слагающем отвал,  которое делится на два этапа: осенью вносятся фосфорные и калийные удобрения из расчета 60-90 кг действующего начала на гектар; весной внести азотные удобрения - 90-120 кг/га из расчета 30-45 кг действующего начала на гектарЕжегодная подкормка посевов способствует лучшему развитию культур искорейшему задернению отвалов.

3. Полив поверхности  отвалов, в частности золоотвалов,  в течение вегетационного периода обезвреженными сточными водами (после прохождения ихчерез очистные сооружения). Полив следует проводить как до посева, так и после, начиная с 10-го дня после посева, в течение всего вегетационного периода(с мая по сентябрь) из расчета 200-500 м3/га за один раз, согласуя его с фазамиразвития растений. Состав применяемых сточных вод должен соответствовать

нормам  санитарно-эпидемиологической службы по содержанию вредных веществ.

Предпосевная  обработка подготовленных площадейв  зависимости от вида освоения, свойств  субстрата может включать как  безотвальную вспашку с почвоуглубителем, так и дискование или боронование тяжелыми боронами в 2-4 следа.

Семена злаковых трав не требуют предварительнойобработки, но для улучшения всхожести их можно подвергнуть воздушно-тепловому обогреву.Семена бобовых по правилам следует подвергать скарификации. Нопри посеве на отвалах этот прием можно не проводить, т. к.семена, не проросшие в первый год, пополняют количество растений в последующие годы. Хорошие результаты дает обработка семян бобовых бактериальными удобрениями, в частности нитрагином, из расчета 1 кг (2 бутылки) на рекомендуемую гектарную норму высева семян.

Посев семян  проводится или рано весной- с 25 апреля до15 мая или летом - с 20 июля по 10 августа, т. е. в период выпадения осадков.Посев семян можно проводить как вручную, так и механизированнымспособом с последующим боронованием и прикатыванием гладким катком.

Мелкие семена заделываются на глубину 1-2 см,крупные- 3-4 см.

Одновременно  с посевом многолетних трав следует  проводить посадкудеревьев и кустарников, формируя из них защитные полосы или небольшиеколки, что будет способствовать накоплению снега, уменьшению водной иветровой эрозии поверхности отвалов . Для этого рекомендуются следующиедеревья и кустарники: тополь бальзамический, яблоня мелкоплодная, осина,береза бородавчатая, береза пушистая, ива козья, ива пятитычинковая., сосна обыкновенная, карагана желтая, шиповник коричный, ракитник русский,малина лесная, облепиха, смородина золотистая, клен американский, лох узколистный и др. Возможно создание крупноплощадныхкультурдендроценозов.

Посадку древесных и кустарниковых видов на отвалах как правило проводят вямки или траншеи с внесением плодородной почвы.Культурфитоценозы, формируемые на отвалах путем посева многолетнихтрав уже на третий год жизни дают прочную дернину, сомкнутый травостой ипригодны для сенокошения. Урожайность сена колеблется от 10,5 до 26 ц/га(злаки); от 20 до 45,5 ц/га (бобовые).

4. Лесохозяйственное  направление

биологической  рекультивации

Лесная (лесохозяйственная)  рекультивация  предполагает создание и выращивание лесных культур мелиоративного, противоэрозионного, полезащитного, ландшафтно-озеленительного, санитарно-гигиенического, рекреационного и других назначений. В конечном счете речь идет о конструировании искусственного лесного биогеоценоза.

Первыми работами по лесной  рекультивации  у нас в стране следует считать освоение для лесохозяйственных целей торфяных выработок на севере исеверо-западе европейской части, озеленение террикоников в Донбассе .

Одними  из первых рекультивационных районов  на нарушенных промышленностью  землях  в нашей стране стали Подмосковный горнохимический комбинат и лесопосадки в Тульской области.

В лесорекультивационной  практике необходимо более полно  учитыватьестественное восстановление лесной растительности на отвалах . В общем планерекультивации  нарушенных горными работами территорий большого районацелесообразно ряд участков использовать как участки для спортивной охоты,рыболовства и мест обитания диких животных. В таких случаях при проведении рекультивации  можно ограничиться мероприятиями по содействию естественному восстановлению лесов и последующей реконструкции малоценныхмолодняков. Часто с этой целью проводят разреживание мелколиственныхпород и посадку саженцев сосны и лиственницы площадками. Это так называемый пассивный способ лесной  рекультивации , в отличие от активного способа- посадки лесокультур.

 В южных  районах страны под естественное  зарастаниецелесообразно оставлять неудобные участки неразровненных территорий - крутые склоны, узкие ложбины, балки, где создают ремизные насаждения изплодовых деревьев и кустарников.

Требования  к горнотехническому этапу   рекультивации  включают снятие плодородного слоя почвы, селективную выемку пород вскрыши, транспортировкуи использование для  рекультивации  плодородного почвенного слоя и потенциально плодородных вскрышных пород, формирование рельефа и структуры поверхностного слоя, создание подъездных путей и противоэрозионных сооружений.

Поверхностный слой служитосновой для формирования корнеобитаемого горизонта рекультивируемогоучастка. При проведении биологической рекультивации  внимание обращаетсяна поверхностный слой, качество которого определяет возможность созданиярастительного покрова, трудоемкость мелиоративных мероприятий. Состав иструктура верхнего слоя определяют виды освоения рекультивируемой территории. Мощность этого слоя для выращивания древесных и кустарниковых растений должна составлять не менее 1,5-2 м. Искусственно формируемый прирекультивации  верхний горизонт (Р-горизонт) создают по схеме, близкой кприродной (нижний слой - благоприятные водно-физические свойства, верхний–гумусированый горизонт).

Степень биологической  пригодности грунтов устанавливается  на основефизических и химических свойств  пород вскрышной толщи и по наблюдениямза естественным зарастанием согласно . Практически выделяются три основные группы вскрышных пород по степени пригодности их длябиологической  рекультивации : пригодные (плодородные и потенциально-плодородные), малопригодные, непригодные. Группы разделяются на подгруппы по физическим и химическим свойствам.

К непригодным  по физическимсвойствам относятся сильнокаменистые скальные породы. Непригодность пород по химическим свойствам определяют, как правило, неблагоприятная реакция среды (сильно кислая или сильно щелочная) и высокий уровень засоления.Первая группа складируется во временные отвалы и используется впоследствии для создания рекультивационного слоя. Вторая группа – основнаячасть горной массы отвалов, для которых характерно малое количество элементов питания растений, неблагоприятный механический состав, но возможно использование для создания лесонасаждений. Третья группа - преимущественно

скальные  породы.

Пригодность нарушенных  земель  устанавливается на основе следующих факторов:

- природных  физико-географических условий: рельефа, геологии, почвы,климата, растительности, гидрологии;

- хозяйственных,  социально-экономических и санитарно-гигиеническихусловий;

- технологии  и комплексной механизации горных  работ, срока эксплуатации карьера  и стадии развития предприятия, на котором проектируются рекультивационные работы;

- экономической  целесообразности и социального  эффекта рекультивации.

Для улучшения  структуры и качественного состава  грунтосмесейрекультивационного слоя необходим целый комплекс мероприятий  по их мелиорации .

Мелиоративные меры делят на группы:

- физико-химические  методы мелиорации грунтосмесей;

- обогащение  грунтов с помощью внесения  удобрений и посева сидератов;

- биологические  методы интенсификации роста  лесокультур путем введения в  их состав пород азотонакопителей.

Лесные культуры на отвалах. Оптимальным считается  лесонасаждение,где наиболее полно  использовано потенциальное плодородие почвы для ростадревесных пород, получены наибольшие запасы древесины, проявляются полезные свойства леса: климаторегулирующие, водоохранные, почвозащитные,санитарно-гигиенические и др.

В мировой лесорекультивационной  практике сложилась особая форма  ведения лесного хозяйства на промьшленных отвалах - создание предварительных  мелиоративных насаждений из быстрорастущих нетребовательных пород ипостепенная замена их насаждениями из более ценных пород . Мелиоративныепороды - это ольха, акация белая, тополя. Существует трехмерное лесоводство-  создание устойчивых экосистем, заменяющих менее продуктивную естественную растительность (обширные лесополосы, перемежающиеся с пастбищными угодиями).

Подбор пород  строят по зональному географическому  принципу, сучетом биологической  пригодности грунтов .

Л. П. Баранник (1976) предлагает определять такие показатели биологической устойчивости лесных пород, как морозостойкость, засухоустойчивость,требовательность к почвенному плодородию, быстрота роста, мелиоративныекачества, и выражает эти свойства в баллах (высокие, средние, низкие и т. д.).

В соответствии с биологической характеристикой выделяется группа пионерных видов: лиственница, сосна, береза, тополь, ива, ольха, акация.Токсичные породы с высокой кислотностью переносят акация, береза,ольха, тополь, лох, облепиха, сосна, ива, клен, осина, смородина, спирея, тамариск. А карбонатные щелочные - сосна, акация, береза, клен, ольха, лох, облепиха.

Сравнительно  большой выбор видов позволяет  создавать на отвалахсложные по составу насаждения различных типов и назначения - мелиоративные, противоэрозионные, водорегулирующие лесополосы, ремизные, лесопарковые и массивные эксплутационные.

Мелиоративный тип лесокультур для токсичных  сульфидсодержащих

грунтосмесей. Мелиоративный тип лесных культур  разрабатывается для крайненеблагоприятных в биологическом отношении отвалов, сложенных токсичнымигрунтосмесями. На них можно использовать сосну, березу, тополь, ольху,акацию, но требуется мелиорация грунта. Эффективны экранирование непригодных участков слоем суглинка либо известкование с глубоким рыхлением ипромывкой. Обязательна подготовка грунтосмесей по системе сидерального

пара и посевы донника. Необходимо выращивать не чисто  сосновые лесонасаждения, а смешанные  сосново-березовые лесокультуры с  ольхой.

 Таким образом,  подбирать тип лесных культур  нужно с учетом распределения участковгрунтосмесей различной степени токсичности на поверхности отвалов.

На нетоксичных вскрышных грунтах можно выращивать лесные насаждения различногоцелевого назначения: это лесопарки, эксплутационные, защитные, мелиоративно-озеленительные, подготовительные ремизные и другие насаждения . Длявсех видов обязательным является выполнение мелиоративных и почвозащит-

ных функций.

Во всех почвенно-климатических  зонах на рыхлых грунтах легкого  механического состава без сорной растительности возможно выращивание леснойкультуры без подготовки грунта. На грунтах тяжелого механического состава ссорняками сплошная вспышка обязательна. Проектированию и созданию лесных культур должно предшествовать агротехническое обследование и крупно-