Биологическая рекультивация

Грунты (субстраты) отвалов в своем большинстве малопригодны для роста и развития растений из-за отсутствия органического вещества и азота, бедности зольными элементами питания, неблагоприятной реакции среды и засоления. Т. е. грунты и субстраты отвалов не обладают основным свойством почв — эффективным плодородием.

Задача биологической рекультивации нарушенных земель и заключается в том, чтобы комплексом агротехнических и фитомелиоративных приемов улучшить структурное состояние, водно-воздушный и пищевой режим, а так же биологические особенности нарушенных земель с целью дальнейшего их эффективного использования в народном хозяйстве.

Земли могут быть восстановлены как под сельскохозяйственные угодья, так и под лесные насаждения или декоративно-озеленительные комплексы.

Сельскохозяйственное восстановление плодородия почв может вестись в различных направлениях растениеводства (полеводство, луговодство овощеводство и др.).

Независимо от конкретного назначения сообщества, образованного искусственным способом (сельскохозяйственные угодья, лесные насаждения или декоративные садово-парковые комплексы), во всех случаях на нарушенных землях должен быть создан устойчивый почвенный и растительный покров, соизмеримый по уровню продуктивности с зональными сообществами.

Требования биологической рекультивации

При сдаче объектов для биологического этапа рекультивации следует выполнять следующие требования:

• отвалы должны быть стабильными, основные процессы их осадки завершены;

• отметки подготовленной поверхности внутренних отвалов должны быть выше или не менее чем 1—2 м господствующего уровня грунтовых вод в прилегающих к карьеру зонах;

• планировка поверхности должна выполняться с учетом требований применения сельскохозяйственной техники или машин для посадки леса;

• поверхность отвалов должна быть покрыта почвенным слоем при сельскохозяйственном направлении рекультивации и почвообразующими породами при лесохозяйственном;

• все инженерные мероприятия по борьбе с эрозией рекультивируемых участков, а также исключающие заболачивание и подтопление должны быть завершены;

• к отвалам должны быть проложены подъездные пути.

Сельскохозяйственная рекультивация

Создание на землях, нарушенных промышленностью, сельскохозяйственных угодий может вестись в двух направлениях:

- на грунтах (субстратах), свойства которых улучшаются путем покрытия их гумусовым слоем почв («землевание»);

- непосредственно на грунтах (субстратах), складированных в отвалы.

Выбор способа подготовки земель для биологической рекультивации в сельскохозяйственных целях должен решаться на основе тщательного экономического анализа, с учетом агрохимических особенностей пород, складируемых в отвалы, и категории их пригодности для сельскохозяйственных культур.

Восстановление для сельскохозяйственных целей территорий, сложенных потенциально плодородными грунтами, возможно без нанесения гумусового слоя почв при условии применения минеральных удобрений и посева кормовых культур типа многолетних трав. Применение специальных севооборотов, удобрений и других агротехнических мероприятий будет способствовать превращению стерильных отвальных земель в плодородные почвы.

Нанесение на поверхность отвалов гумусированного слоя почвы или пригодных для выращивания растений грунтов разной мощности, так называемое «землевание», является одним из наиболее распространенных способов улучшения грунтов (субстратов) для сельскохозяйственного освоения

Мощность наносимого на поверхность отвалов слоя почвы или потенциально плодородного грунта будет зависеть от типа грунтов, формирующих поверхностные слои отвалов. Однако следует учесть, что при нанесении на поверхность отвалов мощных слоев почвы или потенциально плодородного грунта, для растений создается искусственный, как правило, плодородный корнеобитаемый слой. Подстилающая его горная порода изолируется от участия в процессах начального почвообразования, обеспечения растения минеральным питанием и влагой. Функция же растений как биологического фактора, определяющего направление почвообразовательного процесса, сводится к улучшению нанесенного слоя, а не грунтов (субстратов), образующих отвал.

Отечественная и зарубежная практика рекультивационных работ располагает определенным опытом проведения сельскохозяйственной рекультивации при условии так называемого «минимального землевания», обеспечивающего наибольшую экономическую эффективность этих работ. Так, для создания растительного покрова сенокосного типа и использования на золоотвалах тепловых электростанций (II класс отвалов) оказалось достаточным применение почвенного слоя мощностью от 1—5 до 10 см. Подобные же результаты получены для отвалов красного шлама и других отвалов предприятий цветной металлургии и шламовых полей горнообогатительных комбинатов черной металлургии.

Доказано, что в условиях «минимального землевания», при посеве соответствующего ассортимента растений формируются высокопродуктивные растительные сообщества, по запасу фитомассы равные, а в некоторых случаях превосходящие естественные зональные растительные сообщества. Корневые системы растений проникают значительно глубже, чем толщина нанесенного слоя, скрепляя и обогащая органическим веществом частицы грунта.

Для осуществления мероприятий по восстановлению плодородия нарушенных земель требуется мелиоративный период, после которого рекультивуруемые земли вовлекаются в интенсивное сельскохозяйственное использование. В течение этого периода насыпные почвогрунты необходимо обогатить элементами питания, улучшить их структурное состояние, активизоровать биологические процессы путем посева культур- мелиорантов, внесения рекомендуемых доз удобрения в сочетании с соответствующей обработкой с целью дальнейшего их использования в сельском хозяйстве

Подбор культур-мелиорантов

Необходимым условием успеха работ по восстановлению нарушенных территорий для сельскохозяйственных целей является правильно подобранный ассортимент растений.

В течении мелиоративного периода на рекультивированных землях необходимо возделывать такие культуры, которые будучи сами нетребовательны к условиям произрастания, давали сравнительно высокий урожай и повышали бы плодородие почв.

При подборе культур для того или иного почвенного объекта нужно не только всесторонне изучать его физико-химические и другие свойства, но и знать требования растений.

Выполненные к настоящему времени исследования показывают, что далеко не все виды высших растений могут нормально расти и развиваться в условиях специфической экологической среды субстратов промышленных отвалов. Так, для установления ассортимента видов, пригодных для фитомелиорации золоотвалов, было испытано более 230 видов, из которых признано пригодными для указанной цели 30. Столь же специфичны и отвалы, возникающие при открытой добыче полезных ископаемых. Для условий Кузбасса, например, из 34 видов деревьев и кустарников, высаженных на отвалах, сложенных аргиллитами, алевролитами и песчаниками, оказались безусловно пригодными 8 видов. Остальные либо плохо приживаются вообще либо для своего нормального развития требуют проведения агротехнических мероприятий.

Зерновые культуры, более требовательные к условиям почвенного питания, чем многолетние травы, требуют и более тщательной подготовки площадей. Такие культуры как пшеница, рожь, овес, ячмень, кукуруза, просо, сорго, гречка, подсолнечник, арбузы, не могут хорошо развиваться на породах, которые содержат мало азота и фосфора, в то время как чина, горох менее привередливы к горным породам. Они обеспечивают более высокую продуктивность, хотя их урожайность ниже, чем на зональных почвах.

В то же время многолетние травы (люцерна, эспарцет, донник) на этих породах дают удовлетворительные урожаи, которые при внесении удобрений оказываются даже выше, чем на старопахотных участках с южными и обыкновенными черноземами.

Ценной особенностью многолетних трав как мелиорантов, является их способность обогащать почву азотом. Благодаря живущим на их корнях азотфиксирующим бактериям, бобовые травы способны накапливать в почве до 100-200 кг/га соединений азота.

Многолетние бобовые травы положительно воздействуют и на физические свойства почвы, в частности улучшают их структурное состояние. Корневая система многолетних трав рыхлит почву и извлекает из ее глубоких горизонтов труднодоступные для других растений питательные элементы, обогащает почву органическими веществами, усиливает жизнедеятельность полезных микроорганизмов, закрепляет пахотный слой и защищает его от водной и ветровой эрозии. После отмирания корневая система многолетних бобовых трав оставляет в почве большое количество свежего биологически активного вещества.

Подбор древесных пород

Для формирования экологически устойчивых насаждений следует создавать смешанные типы лесокультур с участием главных пород до 70%, сопутствующих до 20, кустарников до 10%. Соотношение может меняться, в зависимости от назначения культур. Виды древесных и кустарниковых насаждений и их соотношение определяются на основе опыта, накопленного в каждой зоне (провинции).

Подбор древесных пород для лесонасаждений производится в зависимости от зональных условий, физико-химических; агрохимических и водно-физические свойств почвогрунтов, а также от целевого назначения.

При рекультивации породных отвалов шахт; обогатительных фабрик и др если термическая активность и физико-химические свойства пород позволяют использовать их для озеленения, следует; создавать на всей поверхности отвалов и в окружающей их защитной зоне лесонасаждения из древесных пород и кустарников, способных произрастать в данных условиях. На первых стадиях освоения территорий наиболее целесообразно выращивать виды, мало требовательные к питанию и влаге, способные выносить высокие температуры, которые на поверхности отвалов нередко достигают 50°С и выше,— березы, ивы, тополя, ольху и др.

Изучение возможности создания искусственных лесных насаждений на отвалах открытых разработок фосфоритов, железной руды и бурого угля в показало, что для облесения целесообразно использовать олиготрофные виды, т. е. виды, малотребовательные к плодородию почвы (например, сосна обыкновенная, береза бородавчатая и др.). Олиготрофность видов, а также их засухоустойчивость и солеустойчивость являются важнейшими характеристиками, имеющими значение при выборе ассортимента видов как для лесной, так и для сельскохозяйственной рекультивации.

При лесопосадках на отвалах в лесной зоне широко применяются сосна обыкновенная, лиственница сибирская, ель обыкновенная и другие виды ценных древесных культур.

Как показали многолетние исследования, наиболее целесообразно кулисное смешение этих пород с мелиоративными кустарниками (азотонакопителями) (облепиха, лох серебристый, бузина сибирская, смородина золотистая и др.).

Пример. Наиболее часто на рекультивируемых отвалах создаются лесные культуры сосны в смешении с облепихой по схеме 3С2Об (60 % сосны, 40 % облепихи). Смешение этих пород в рядах недопустимо, так как облепиха в первые годы затеняет и угнетает сосну (расстояние между рядами больше в ряду, например, 2,5 и 1,5 м соответственно).

Что происходит после посадки? Контакт корневых систем с сосной обеспечивает ее азотным питанием, в результат повышается продуктивность. На 3-4 год после посадки облепиха начинает плодоносить, насаждение можно использовать для сбора ягод. Ко времени ее старения (15-20 лет) высота сосен достигает 7-9 метров, образуется чистое сосновое насаждение, с небольшой примесью облепихи, где она не подавляется сосной.

Возможны различные варианты схем смешения. (Пример: С Лц С 2Об С Лц 2Об, т. е 40 % сосны, 20 % лиственницы, 40 % облепихи).

По берегам водоемов с избыточно увлажненным грунтом следует создавать полосы из влаголюбивых древесных и кустарниковых пород. Рекомендуется тополь, ель, пихта, из кустарников: ивы, облепиха, рябинник, черемуха. На тех участках, где древесные насаждения трудно создать (каменистые осыпи, обнаженные выветрившиеся горные породы), лесонасаждений для озеленения используется травянистая растительность.

Следует отметить, что в некоторых случаях необходимо проведение работ по временной стабилизации отвалов и их облагораживанию. Использование древесных растений в этом случае нецелесообразно. Их место могут занять кустарники.

Основная тенденция при выборе ассортимента растений — использование видов местной флоры, экологически приспособленных к условиям существования в данной климатической зоне. При этом в случае расположения отвалов в районе действия газовых выбросов промышленных предприятий успех работ по лесовыращиванию будет зависеть от подбора пылегазоустойчивых видов.

Накопленный к настоящему времени экспериментальный и теоретический материал показывает способность отдельных видов растений неплохо расти и развиваться в условиях загрязненной атмосферы.(лиственные породы-тополь бальзамический, клен ясенелистный, береза бородавчатая, большинство видов кустарников. Использование газоустойчивого ассортимента при биологической рекультивации позволит создать более высокопродуктивные и устойчивые растительные сообщества. Как правило, наибольший эффект биологической рекультивации может быть получен при использовании видов широкой экологической амплитуды, способных в короткий срок сформировать высокопродук­тивные сообщества. Последние, являясь одним из существенных структурных компонентов ландшафта, должны вместе с тем, выполнять почвозащитную, культурно-эстетическую и санитарно-гигиеническую функции.

Древесные и кустарниковые породы, используемые для лесной рекультивации, должны быть устойчивыми в экстремальных условиях техногенных территорий, обладать комплексом защитных и средообразующих функций и обеспечивать быстрое получение природоохранного и природовосстановительного эффектов.