Restoration and Landscape Restoration of Disturbed Territories

Full Text

Введение

Почвенные ресурсы имеют основополагающее значение для жизни на Земле и решающее значение для устойчивого развития. Педосфера является неотъемлемым связующим звеном других сфер Земли (литосферы, биосферы, гидросферы и атмосферы) и играет решающую роль в решении проблем, связанных с продовольственной и водной безопасностью, защитой биоразнообразия, состоянием наземных экосистем, регулированием климата и здоровьем человека Для удовлетворения постоянно растущих потребностей в земельных ресурсах все более интенсивное использование земель человеком может привести к необратимой утрате их функций и деградации почв.

Деградация почв – естественный и(или) антропогенный процесс, при котором продуктивность почвы или ее потенциал для землепользования и регулирования окружающей среды (качество и устойчивость почвы) снижается или даже полностью теряет свои физические, химические и биологические характеристики [1]. Деградация почв происходит по разным причинам, включая антропогенные и метеорологические факторы, некоторые из которых дополняют друг друга.

Механизмы деградации можно разделить на физические, химические и биологические. Конкретные проявления нарушения почв разнообразны, включая, помимо прочего, эрозию, засоление, подкисление, опустынивание, дефицит питательных веществ, уплотнение и загрязнение тяжелыми металлами. Одна из частых причин – уничтожение растительной составляющей. Такая ситуация, способная существенно нарушить экосистему, оказывает влияние как на климат, так и социально-экономическую жизнь местного населения [1, 2].

Обнаружено, что восстановление нарушенных земель оказывает положительное влияние на здоровье детей, улучшает доступ к общественным удобствам и ускоряет экономический рост. Решения, основанные на природных механизмах, стали многообещающим подходом к восстановлению загрязненных земель, который потенциально может дать множество преимуществ, помимо простого снижения риска воздействия загрязняющих веществ [3, 4].

Восстановление почв может быть достигнуто инженерными, химическими или биологическими методами. Инженерные технологии включают в себя промывку грунта, стабилизацию, термическую обработку, выемку и захоронение отходов и другие технологии. Химические методы восстановления почвы включают внесение фосфатов, известковых материалов, оксигидроксидов Fe/Mn, органических материалов, цеолитов и т.д. Смягчение последствий с помощью микробиологических средств может заключаться в обеззараживании участков, специфичных для конкретных загрязнителей, с использованием специализированных штаммов бактерий, известных способностью поглощать и разлагать загрязняющие вещества.

Стоимость реализации приведенных методов может быть относительно высока, особенно в полевых условиях [5].

Площадь нарушенных земель в Белгородском регионе составляет 6,5 тыс. га, что является серьезной проблемой для окружающей среды и жизни местного населения. Наличие 328 карьеров открытого типа, из которых 176 – заброшенные (в некоторых все еще продолжается незаконная добыча материалов, в том числе с участием различных подрядчиков), а также созданные мусорные свалки усугубляют данную проблему [6, 7]. Следует провести работы по восстановлению нарушенных земель и вернуть их в устойчивый хозяйственный оборот, одновременно минимизируя и устраняя негативное воздействие на окружающую среду. Для этого необходимы программы рекультивации и реконструкции нарушенных территорий, а также контроль по добыче и утилизации отходов.

Такие меры помогут не только восстановить природные ресурсы и экосистемы, но и улучшить качество жизни местного населения, снизив негативное воздействие промышленного производства на окружающую среду.

В работе [8] разработан материал для биологической рекультивации нарушенных земель, недостатком которого является высокий уровень загрязнения иловых осадков. Осадки сточных вод могут содержать потенциально опасные компоненты – тяжелые металлы, органические загрязнители, патогены и другие фитотоксичные вещества, которые накапливаются в организмах и окружающей среде, препятствуя развитию и восстановлению почвенно-растительных участков. Для эффективной биологической рекультивации необходимо принимать во внимание сложный компонентный состав загрязненных осадков и проводить специализированную обработку, включая центрифугирование шлама, что значительно увеличивает стоимость готового продукта. Тем не менее такие мероприятия необходимы для обеспечения безопасности и эффективности процесса восстановления нарушенных территорий.

Наиболее близким техническим решением восстановления нарушенных земель является способ создания почвенно-растительного покрова при рекультивации нарушенных земель, представленный в [9]. Существенный признак данного решения – обязательное использование удобрений N70P70K70 и вспученного вермикулита с гранулами до 4 мм, так как без этих условий сами компоненты не обеспечивают достаточный почвенно-растительный покров на рекультивируемой территории.

Предлагается принципиально новый способ восстановления биологической продуктивности нарушенных земель при проведении работ по рекультивации, основанный на утилизации доступных нетоксичных отходов с возможностью их полезного использования в городской среде. Инновационный продукт представляет собой органоминеральные почвосмеси, созданные на основе разнообразных производственных отходов. Искусственные почвогрунты (почвосмеси) представляют собой многокомпонентные смеси, обеспечивающие нормальный рост и развитие растений. В искусственных почвогрунтах протекают те же процессы, что и в естественных почвах, поэтому они могут успешно заменить почвы и использоваться в процессах восстановления урбанизированных земель.

Для успешной реализации данной идеи необходимо провести исследования и биотестирование органоминеральных почвосмесей, определить их эффективность и безопасность для окружающей среды. Также важно учитывать потенциальные риски и проблемы, связанные с использованием искусственных почв в процессе восстановления земель. В целом, такой подход к рекультивации и утилизации отходов является перспективным и может принести значительную пользу как для природы, так и для человека.

Материалы и методы исследований

Цель исследования – разработка научных основ рекультивации техногенно-нарушенных земель в условиях Белгородской области.

Объекты исследования – органические и минеральные компоненты, а также составы почвосмеси, содержащие данные компоненты в различных пропорциях.

Задачи исследования, направленные на упрощение технологии восстановления растительного покрова, уменьшение стоимости материала за счет снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду путем вовлечения в повторный технологический цикл отходов и расширение сырьевых ресурсов для его получения, а также сокращение затрат на проведение работ в короткие сроки через использование объемной георешетки, заполненной искусственной почвосмесью, представляют собой значимый шаг в области экологии и устойчивого развития.

Важно отметить, что анализ и биотестирование разработанных составов искусственной почвосмеси осуществлялись при помощи различных методов. Основные характеристики образца зоокомпоста определялись в соответствии с ГОСТ 33830–2016. Для исследования почвосмесей использовали стандартные методы: воздушно-тепловой, титриметрический, спектрофотометрический, потенциометрический и кондуктометрический.

Элементный состав образцов используемых отходов получен с помощью прибора ARL 9900 IntelliPower Workstation. Такой подход обеспечивает научную обоснованность и эффективность разработанных составов почвосмеси для рекультивации и восстановления техногенно-нарушенных земель.

Экологический аспект исследований имеет большое значение, поскольку обеспечивает устойчивое развитие и сохранение окружающей среды. Результаты проведенных исследований служат основой для разработки и внедрения эффективных методов рекультивации земель, щадящих природные ресурсы и способствующих улучшению экологической ситуации в регионе.

Результаты и их обсуждение

Известно, что почва включает в себя разнообразные компоненты, такие как глина, песок, перегной, воздух и вода. При создании образцов искусственных почвосмесей использовались технические условия для производства питательных грунтов. Процесс приготовления искусственной почвосмеси осуществлялся путем механического перемешивания различных исходных компонентов с их предварительным измельчением.

Анализу подвергались исходные компоненты искусственной почвосмеси (табл. 1 – 3).

 

Таблица 1

Химический состав минеральных компонентов искусственной почвосмеси

Почвосмесь	Содержание компонентов, %
	SiO2	Al2O3	TiO2	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O	P2O5	п.п.п.
Суглинки	50,0... 70,0	10,0... 15,0	0,5... 1,0	2,0... 3,0	2,0... 5,0	0,1... 1,5	1,0... 1,5	0,5... 0,7	0,1... 0,2	5,0… 8,0
Глины	40,0... 50,0	14,0... 23,0	0,5... 1,6	3,0... 5,0	1,0... 2,0	0,1... 0,5	2,0... 2,5	0,5... 1,5	0,2... 0,3	4,0… 7,0
Песок	75,0...98,0	1,0... 0,95	0,06... 0,08	0,1... 0,06	0,5... 2,0	0,4... 0,5	0,2... 0,3	0,09... 0,1	–	1,5… 4,0

 

Органическая часть компонента искусственной почвосмеси представлена переработанными органическими отходами личинки двукрылого насекомого Черная Львинка (зоокомпост) и растительными остатками в виде листьев и скошенной травы, химический состав которых представлен в табл. 2.

 

Таблица 2

Химический состав органической части компонентов искусственной почвосмеси

Почвосмесь	Содержание компонентов, %
	N общий	Органический углерод	Зола	Вода	CaO	MgO	K2O	P2O5	Микроэлементы
Зоокомпост	3…4	15…45	5…6	20…50	0,7…2	0,3… 0,5	1…3	1…3	1…6
Растительные остатки	1…2	7…30	3…6	50…70	1…2		1…2	0,5…1

 

Побочные продукты мокрой магнитной сепарации представляют собой пустую породу процесса обогащения железной руды, цитрогипс – побочный продукт производства лимонной кислоты. Его химический состав приведен в табл. 3.

 

Таблица 3

Химический состав побочных продуктов

Почвосмесь	Содержание компонентов, %
	SiO2	Al2O3	TiO2	Fеобщ	CaO	MgO	K2O	Na2O	SO3	P2O5	п.п.п.
Продукт мокрой магнитной сепарации	65… 75	2…3	0,1… 0,2	4,0… 10,0	2,0… 5,0	0,1… 1,5	1,0… 1,5	0,5… 0,7	0,1… 0,3	0,1… 0,2	4…5
Цитрогипс	0,2… 1,7	0,12…0,05	0,02…0,017	0,95…0,05	29,7…32,6	0,1… 0,4	0,05…0,07	0,02…0,03	38,3…45,5	–	22,0…28,4

 

Способ создания образцов искусственной почвосмеси включал смешивание глины, суглинков, песка, цитрогипса, продуктов мокрой магнитной сепарации в мешалке в течение 3…5 мин. Затем добавляется зоокомпост Черной Львинки и растительные остатки в виде листьев и травы, предварительно измельченные в дробилке, при дополнительном смешивании в мешалке в течение 3…5 мин.

Компонентный состав искусственных почвосмесей представлен в табл. 4 (в качестве контрольного образца взят чернозем типичный).

 

Таблица 4

Компонентный состав искусственной почвосмеси, %

Состав	Суглинки	Песок	Глина	Цитрогипс	Растительные остатки в виде листьев и травы	Продукты мокрой магнитной сепарации	Зоокомпост
1	15	20	15	15	15	5	15
2	20			10
3	15					10	15

 

На первом этапе исследований проведена оценка токсикологических характеристик полученных экспериментальных образцов искусственных почвенных смесей с использованием в качестве тест-объекта семян овса обыкновенного (Avena Sativa L.) [10]. Данный метод основан на изменении роста корневой системы из-за способности корней реагировать на экзогенное химическое воздействие, что позволяет использовать длину корней в качестве показателя тестовой функции.

Результаты исследований показали, что ингибирование развития корневой системы Avena Sativa L., выращенной на исследуемых образцах, не превышает 20 % по сравнению с контролем.

Оценку реставрационно-ландшафтного восстановления территории проводили в полевом эксперименте. Способ восстановления территории включал использование объемной георешетки, предназначенной для укрепления грунтов в дорожном строительстве и ландшафтном дизайне, – это полимерные ленты, сваренные между собой в шахматном порядке. При растяжении объемной георешетки образуется структура из полых ячеек размер ячейки 220 ´ 220 мм. На техногенно-нарушенную поверхность урбанизированных земель наносится объемная георешетка. При ее растяжении образуется структура из полых ячеек, в которую засыпается искусственная почвосмесь с семенами растений, поливается водой и покрывается полимерной пленкой, которую удаляют при появлении дружных всходов. В состав искусственной почвосмеси входят суглинки, глины, отходы производства лимонной кислоты – цитрогипс, зоокомпост Черной Львинки, растительные остатки в виде листьев и травы, отходы мокрой магнитной сепарации железной руды, песок.

 

Рис. 1. Пример способа восстановления эспарцета песчаного

 

Посеянный эспарцет песчаный (рис. 1) срезали 10 августа 2023 г. и определили его урожайность и высоту. Полученные результаты представлены в табл. 5. Из полученных результатов видно, что использование искусственных почвосмесей для восстановления почв позволило повысить урожайность эспарцета песчаного по сравнению с контролем. При этом лучшие показатели получены при использовании состава № 1, прибавка урожая составила 0,09 кг.

 

Таблица 5

Биологические показатели

Составы искусственных почвосмесей	Биологические показатели (урожайность, кг/сосуд)	Биологические показатели (прибавка урожая, кг)	Средняя высота растений, см
Контрольный состав (чернозем типичный)	0,120 ± 0,005	–	30…35
1	0,210 ± 0,005	+0,09	50…60
2	0,180 ± 0,005	+0,06	40…45
3	0,168 ± 0,005	+0,05	50…60

 

Таким образом, использование предложенного способа позволяет улучшить биологические показатели посевов и ускорить восстановление нарушенных территорий. Поскольку для получения почвосмесей применяются промышленные отходы, это снижает стоимость продукта и решает вопрос утилизации отходов, снижая антропогенную нагрузку на окружающую среду.

Заключение

 На данный момент значительная часть мирового населения проживает в условиях техногенно-нарушенных ландшафтов, где деградировавшие земли различных типов охватывают значительные участки пригородных территорий. Необходимость восстановления таких земель и их возвращение в устойчивый хозяйственный оборот остается актуальной задачей. Предложен способ восстановления растительного покрова на нарушенных территориях. Преимущества полученного заявленным способом продукта:

1. отсутствие токсикологических характеристик полученных экспериментальных образцов разработанных составов искусственных почвенных смесей;
2. повышение биологических показателей посевов в сравнении с контрольной группой, а, следовательно, эффективность реставрационно-ландшафтного восстановления территории;
3. сокращение сроков реставрационно-ландшафтного восстановления территории;
4. снижение стоимости материала для изготовления искусственной почвосмеси по предлагаемому способу за счет снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду путем вовлечения в повторный технологический цикл;
5. утилизация отходов (минуя их сжигание или размещение на полигонах твердых бытовых отходов) снижает антропогенную нагрузку на окружающую среду и позволяет вовлекать их повторно в технологический цикл, что способствует созданию мало- и безотходных технологий.

About the authors

E. A. Pendyurin

Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov

Email: sv.anastasiaa@mail.ru

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры промышленной экологии

Russian Federation, Belgorod

Zh. A. Sapronova

Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov

Email: sv.anastasiaa@mail.ru

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой промышленной экологии

Russian Federation, Belgorod

A. V. Svyatchenko

Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov

Author for correspondence.
Email: sv.anastasiaa@mail.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии

Russian Federation, Belgorod

V. A. Zdorovtsov

Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov

Email: sv.anastasiaa@mail.ru

аспирант кафедры промышленной экологии

Russian Federation, Belgorod

References

Supplementary files