Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическое обоснование использования минеральных субстратов для фиторекультивации техногенной пустоши в условиях Субарктики

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическое обоснование использования минеральных субстратов для фиторекультивации техногенной пустоши в условиях Субарктики"

На правах рукописи

Слуковская Марина Вячеславовна

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ СУБСТРАТОВ ДЛЯ ФИТОРЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕХНОГЕННОЙ ПУСТОШИ В УСЛОВИЯХ СУБАРКТИКИ

03.02.08 - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

5 ДЕК 2013

Петрозаводск - 2013

005542910

005542910

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петрозаводский государственный университет» на кафедре ботаники и физиологии растений

Научный руководитель

доктор биологических наук, профессор Марковская Евгения Федоровна

Официальные оппоненты:

Капелькина Людмила Павловна

доктор биологических наук, профессор, ФГБУН Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, главный научный сотрудник лаборатории методов реабилитации техногенных ландшафтов Федорец Наталья Глебовна доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБУН Институт леса Карельского научного центра РАН, заведующая лабораторией лесного почвоведения и микробиологии

Ведущее учреждение

ФГБУН Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН

Защита состоится "19" декабря 2013 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д.212.190.01 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33, эколого-биологический факультет, ауд. 117 теоретического корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета, с авторефератом - на сайте http://vak.ed.gov.ru и www.petrsu.ru.

Автореферат разослан ". ." ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

Дзюбук И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Деятельность металлургической промышленности приводит к деградации наземных экосистем вблизи предприятий и возникновению техногенных пустошей (Лукина, Никонов, 1998; Remon et al., 2005; Kozlov, Zvereva, 2007). Одной из них является территория около г. Мончегорска (Мурманская область, РФ). Техногенная пустошь здесь является заключительной стадией техногенно-пирогенных дигрессий сосновых и еловых лесов (Ганичева и др., 2004). Естественные восстановительные сукцессии такой территории особенно затруднены в условиях Субарктики. Постоянные выбросом экотоксикантов (соединения тяжелых металлов и S02), поступление их в грунт, накопление в близлежащих наземных экосистемах и миграция в водную среду (Проблемы..., 2005; Кашулина, Салтан, 2008) служат причинами низкой интенсивности самовосстановления наряду с недостатком органического вещества почв и питательных веществ и отсутствием банка семян и подземных вегетативных органов (Ганичева и др., 2004). Стандартные подходы к рекультивации земель, разработанные в целом для России, на Севере зачастую оказываются нерезультативными (Арче-гова, Лиханова, 2012; Капелькина, 2012; Андроханов, 2012). Традиционный метод восстановления растительного покрова (нанесение плодородного слоя) является малодоступным из-за дефицита почвенных ресурсов в регионе и их быстрой деградации в условиях действующего предприятия.

Для реабилитации территории Мончегорской пустоши требуется разработка особой технологии, учитывающей вышеуказанную специфику. Одним из подходов является использование удобрений пролонгированного действия (Лукина и др., 2001). В Мурманской области, благодаря наличию высокоразвитого горнопромышленного комплекса, в отвалах вскрышных пород и хво-стохранилищах заскладированы минеральные отходы, содержащие карбонаты и силикаты Са и Mg. Их большие запасы и недостаточная изученность возможности применения при проведении фиторекультивационных работ предопределили направление исследований.

Цель работы - разработать научные основы фиторекультивации территории техногенной пустоши с применением минеральных субстратов из отходов горнопромышленного комплекса в условиях Субарктики.

Задачи исследования

1. Выявить возможности использования минеральных отходов в качестве субстратов (мелиорантов) для фиторекультивации техногенно-трансформированного грунта пустоши;

2. Исследовать особенности роста и развития травостоя злаковых растений в искусственном фитоценозе в зависимости от типа грунта и вида использованного мелиоранта;

3. Разработать инновационный подход к фиторекультивации территории техногенной пустоши в зоне влияния медно-никелевого производства;

4. Оценить экономическую эффективность разработанной технологии.

Основные положения, выносимые на защиту. Минеральные субстраты из горнопромышленных отходов, содержащие карбонаты и силикаты Са и

являются эффективными мелиорантами, способствующими созданию благоприятных для произрастания растений эдафических условий на территории техногенной пустоши. Травостой из злаковых растений, сформированный на вермикулитовом субстрате по разработанной запатентованной технологии без использования дефицитных в регионе почвы и торфа, устойчив к аэротехногенной нагрузке, способен к самостоятельному существованию и обеспечивает начальный этап восстановительной сукцессии. Разработанная технология, основанная на комплексном использовании минеральных субстратов (ковдорского вермикулита, мелиорантов из горнопромышленных отходов) и устойчивых к аэротехногенной нагрузке многолетних травянистых злаковых растений является эффективным, экономически обоснованным способом фиторекультивации техногенно-нарушенных земель в зоне аэротехногенного воздействия медно-никелевых производств в условиях Субарктики.

Научная новизна. Разработан новый подход к фиторекультивации территории техногенной пустоши в условиях Субарктики, способствующий снижению токсичности грунтов, предотвращению миграции ТМ в окружающие природные объекты и обеспечивающий процессы ускоренного формирования высококачественного растительного покрова. Впервые в качестве мелиорантов для реабилитации техногенных пустошей в Субарктике применены отходы предприятий горнопромышленного комплекса.

Теоретическая значимость. Сформулирована концепция ускоренного формирования фитоценозов из злаковых растений в условиях Субарктики. Обоснованы и установлены закономерности роста и развития растительных сообществ в зависимости от типа техногенного грунта и наличия мелиоративного слоя. Выдвинута и подтверждена гипотеза о высокой мелиоративной способности отходов горнопромышленного комплекса, содержащих карбонаты, силикаты Са и и возможности их использования для восстановления техногенно-нарушенных экосистем в условиях Субарктики.

Практическая значимость. Разработана, прошла комплексные опытно-промышленные испытания и предложена производству инновационная технология для реабилитации техногенных пустошей с использованием минеральных субстратов из отходов горнопромышленного комплекса. Дано экономическое обоснование технологии фиторекультивации техногенной пустоши в условиях действующего медно-никелевого комбината. Проведенные исследования были поддержаны хозяйственными договорами с ОАО «Кольская горно-металлургическая компания» № 3097, № 3091 и № 3099. По результатам работы получен акт об испытаниях и запатентованы 3 технологии (патенты на изобретения № 2484613, № 2477946, № 2477947).

Личный вклад автора состоит в участии в составе исследовательской группы в разработке программы и определении основных направлений исследования, организации и личном участии во всех блоках экспериментов, анализе и обобщении полученных результатов, разработке технологии фиторекультивации и ее апробации в укрупненных опытно-промышленных испытаниях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: «Ломоносов» (Москва, 2009); «Биология: от молекулы до биосферы» (Харьков, 2009); «61-я и 62-я студенческие конференции» (Петрозаводск, 2009, 2010); «Гармония Севера: человек и природа. Взгляд молодых» (Петрозаводск, 2010); «IX Ферсмановская научная сессия» (Апатиты, 2012); «Сахаровские чтения: экологические проблемы XXI века» (Минск, 2012); VI съезд Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Петрозаводск, 2012); «Почвоведение на Кольском полуострове и соседних территориях» (Апатиты, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работ, в том числе 4 статьи в рекомендованных ВАК изданиях, 3 патента, 16 статей в Материалах международных и всероссийских конференций, а также в 1 коллективной монографии, изданной за рубежом.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы и 3 приложений. Она изложена на 150 стр., включает 15 табл., 25 рис. Список литературы составляют 170 источников, среди которых 60 иностранных.

Благодарности. Автор глубоко признателен научному руководителю профессору, д.б.н. Е.Ф. Марковской и постоянному научному консультанту д.б.н. Л.А. Ивановой за чуткое руководство и всестороннее содействие на всех этапах диссертационного исследования. Особую благодарность автор выражает сотрудникам лаборатории минерального сырья и силикатного синтеза ФГБУН ИХТРЭМС КНЦ РАН (г. Апатиты) за помощь в организации

полевых работ и предоставление минеральных субстратов. Автор благодарит за помощь в организации и проведении полевых и аналитических работ и интерпретации данных к.т.н. И.П. Кременецкую, к.б.н. Т.Т. Горбачеву, к.х.н. С.В.Дрогобужскую, к.т.н. В.В.Лащука, Г.Н.Андрееву, Е.С.Иноземцеву, О.П. Корытную, КВ. Гостева. Также автор искренне признателен своей семье, оказывавшей всестороннюю поддержку и помощь на протяжении всего периода диссертационного исследования.

Работа выполнена при финансовой и организационной поддержке ФГБУН ПАБСИ КНЦ РАН, ФГБУН ИХТРЭМС КНЦ РАН, Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа «У.М.Н.И.К.»), ОАО «Кольская горно-металлургическая компания», ООО «Випон», Программы РФФИ 12-04-31234.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Рассмотрены вопросы, связанные с исследованиями воздействия предприятий горнопромышленного комплекса на экосистемы северных регионов, приведены характеристики техногенных пустошей вблизи ГМК в разных странах мира (Кашулина, 2002; Ког1оу, гуегеуа, 2007). Проанализированы причины возникновения пустошей и данные по влиянию аэротехногенных выбросов предприятий цветной металлургии на наземные экосистемы (Лукина, Никонов, 1998; Ярмишко, 1997; N1^11 е1а1., 1998; Баккал, Горшков, 2005; Евдокимова и др., 2005; Ка-лабин и др., 2010). Рассмотрена история возникновения и характеристика Мончегорской техногенной пустоши (Ганичева и др., 2004; Цветков, Цветков, 2006). Приведены основные принципы и подходы к восстановлению растительного покрова на техногенных пустошах в северных районах (Арчегова, Лиханова, 2012). Проанализирована литература по ассортименту субстратов и видов растений, используемых для фиторе-культивации техногенно нарушенных территорий (ВгасЫтху, 1997; Боррег, 1989; Ганичева и др., 2004; Капелькина, 2006) и применению гидропонного вермикулитового субстрата в северном растениеводстве (Иванова, 2012). Выявлены основные проблемы в области реабилитации техногенных пустошей и намечены современные пути их решения.

Глава 2. РАЙОН, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2Л. Район и место проведения исследования

Полевые исследования проводились в период с 2008 по 2013 гт. на техногенной пустоши вблизи г. Мончегорска Мурманской области. За период наблюдений 2010-2013 гг. среднемесячная температура мая находилась в интервале 5.6-7.8, июня - 11.0-14.4, июля - 13.0-15.6, августа - 11.4-15.2 °С. Относи-

тельная влажность воздуха составляла 64-80%. Вегетационный сезон 2013 г. характеризовался наибольшей засушливостью по сравнению с остальными годами: сумма осадков за 4 месяца составила 174 мм, тогда как в остальные годы - 240-316 мм. Большое количество атмосферных осадков в сочетании с высокими температурами в 2011 г сформировало наиболее благоприятные условия для произрастания растений.

Лабораторные исследования проводились в апреле - мае 2010 г. в лаборатории ФГБУН ПАБСИ КНЦ РАН (г. Кировск) при естественном освещении: средняя освещенность в пасмурные дни составляла 6, а в солнечные - 20 клк; температура воздуха - 18-22 °С, влажность воздуха - 60%.

2.2. Объекты исследования

Виды минеральных субстратов. В исследованиях использованы следующие виды мелиорантов: карбонатитовые отходы (КО), заскладированные в хвосто-хранилшце ОАО «Ковдорский ГОК» Мурманской обл., и серпентинитомагнезиг (СМ) (вскрышные породы Халиловского месторождения магнезита ЗАО «Литосфера», Оренбургская обл.). Также использован вермикулиговый субстрат марки Випон-1, полученный из вермикулита Ковдорского месторождения, и песок из песчаного карьера. Работы выполнены на двух участках Мончегорской техногенной пустоши: участок 1 в 0.7 км (67°55.783'N, 32°51.535'Е) и участок 2 в 1.5 км (67°56.403'N, 32°50.287'Е) от ОАО «Кольская ГМК».

Растительный материал. Для выращивания растительного покрова в лабораторном и полевых исследованиях использованы 8 видов злаковых растений: мятлик луговой (Роа pratensis L.), овсяница красная (Festuca rubra L.), овсяница луговая (Festuca pratensis Huds.), райграс пастбищный (Lolium perenne L.), фестулолиум изумрудный {Festulolium smaragdinum), кострец безостый (Bromus inermis Leyss.), тимофеевка луговая (Phleum pratense L.J, пырей сизый (Agropyron intermedium (Host.) Beauv.).

Для выращивания растительной дернины использовали травосмесь следующего состава: в лабораторном опыте и в полевых экспериментах на участке 1 - F. rubra, В. inermis, F. smaragdinum, F. pratensis в соотношении 4:3:1:1 по массе; на участке 2-A. intermedium, F. rubra, L. perenne, P. pratense в соотношении 1:1:2:2 по массе. Посевы увлажняли водой из расчета 20 л/м3. Слой из вермикулита насыщали водным раствором комплексных минеральных удобрений с общей минерализацией 1590 мг/л при посеве и 1 раз за вегетационный сезон на протяжении периода наблюдений.

2.3. Методы исследования

Химические анализы выполнены в специализированных аккредитованных лабораториях ФГБУН ИХТРЭМСи ИППЭС КНЦ РАН (г. Апатиты). Отбор и анализ проб производился в соответствии с действующими

ГОСТ, ПНД Ф и методикой МИ 31-27-2012, разработанной в лаборатории химических и оптических методов анализа ИХТРЭМС КНЦ РАН.

Химические методы. Определение валового содержания элементов в грунте проводилось с использованием смеси концентрированных плавиковой и азотной кислот после автоклавного микроволнового разложения в системе SW4 с автоклавами DAK100 (Berghof); определение рН - по стандартной методике с помощью иономера И-160 М. Элементный анализ почвы и растений после переведения в раствор выполнялся на квадрупольном масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой ELAN-9000 DRC-e (PerkinElmer) и атомно-абсорбционных спектрометрах «Квант-2А» («Кор-тек») и AAnalist 400 (PerkinElmer), анализ валового содержания серы и углерода - на элементном анализаторе ELTRACS-2000(ELTRAGmbH). Определение доступных форм элементов в грунте и мелиорантах проводилось в аммонийно-ацетатном буферном растворе (рН=4.65) по стандартной методике, определение содержания доступных форм фосфора - по методу Ватанабэ после экстракции в аммонийно-ацетатном буфере; определение содержания азота в растениях - по методу Кьельдаля.

Для оценки токсичности сильно загрязненных подзолистых почв Мончегорской техногенной пустоши предложен «физико-химический» критерий (Евдокимова, 1995), который в настоящей работе модифицирован. В качестве характеристики свойств почвы использовано соотношение мольного содержания доступных для растений форм никеля и меди к кальцию и магнию, обозначенное как «модуль токсичности» (Мт). Для Мт не установлен порог фитотоксичности, его применяли для оценки свойств грунта в качестве интегрального показателя, включающего четыре основных компонента, оказывающих наибольшее влияние на характеристики почвенных субстратов. Чем меньше значение Мт, тем ниже токсичность.

Биометрические исследования. Отбор образцов травяной дернины производился методом монолитов. Определяли следующие показатели растительного покрова: проективное покрытие, плотность сложения травостоя, высота и масса надземной части растения, масса корневой системы, длина главного корня, мощность дернины (Методы изучения..., 1968; Воронов, 1973).

Фенологические исследования проводились по общепринятой методике (Куперман, 1984); названия сосудистых растений - по С.К. Черепанову (1995), мохообразных - по М.С. Игнатову, О.М. Афониной (1992).

Методы создания растительного покрова включали 2 инновационных экспресс-способа с применением гидропонного вермикулитового субстрата и злаковых растений: посев семян в субстрат (International..., 2011) и подготов-

ка готовой ковровой травяной дернины и ее настил на субстрат (Патент № 2393665). Создание растительного покрова осуществлялось в мелкоделяноч-ном эксперименте, площадь делянки составляла 1м2.

Статистические методы. Обработка данных и графические иллюстрации выполнялись с использованием Microsoft Excel 2010 (Ивантер, Коросов, 2005); факторный анализ - в программе PSPP 0.7.10; непараметрические критерии - с помощью специальных скриптов (Математические..., 2013).

Методика подготовки сметной документации. Сметы расходов подготовлены в программе АО, договорная цена определена с использованием нормативной базы 2001 г. и индивидуально разработанных коэффициентов и накладных расходов.

Глава 3. АПРОБАЦИЯ КОМПОНЕНТОВ СПОСОБА ФИТОРЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕХНОГЕННОЙ ПУСТОШИ

3.1. Рост н развитие травяной дернины на техногенной пустоши

Схема опыта включала 3 варианта: вариант 1 - плато, минеральный грунт; вариант 2 - склон, минеральный грунт; вариант 3 - подножье склона, ровная поверхность в понижении с органогенным горизонтом. В каждом варианте было заложено по 5 делянок.

Химический анализ минерального грунта участка 1 показал низкое содержание доступных форм элементов питания (К, Са, Mg, Р, Mn, Zn); особенностью органогенного грунта было сильное закисление (рН до 3.7) и высокое содержание основных поллютантов в доступной растениям форме (4600 мг/кг Си, 500 мг/кг Ni). Для создания искусственного фитоценоза в данном эксперименте использовалась ковровая травяная дернина, которая выращивалась в течение 2 недель.

Через месяц после настила на поверхность техногенной пустоши ковровая дернина во всех вариантах претерпела существенные изменения. Проективное покрытие составляло 50% в 1 и 2 вариантах и 25% - в варианте 3, при этом корневые системы растений в техногенный грунт не проникали. В вегетационный период 2009 г. проективное покрытие сформированного из высеянных трав растительного покрова во всех вариантах уменьшилось и составило 0.5%. Наряду с этим было отмечено интенсивное заселение дернины мхом Ceratodon piirpureits (Hedw.)Brid., являющимся обычным пионерным видом (Ганичева и др., 2004). В течение сезона мох образовал плотные группировки, занимавшие до 30% площади дернины в вариантах, сформированных на органогенном и до 5-10% - на минеральном грунте. К 2013 году проективное покрытие мха на органогенном грунте составляло 70%, что может рассматриваться как начальный этап восстановительной сукцессии. Однако эксперимент фиторекультивации с применением злаковых растений имел

неудовлетворительные результаты, поскольку в условиях продолжающейся аэротехногенной нагрузки была отмечена практически полная деградация ковровой дернины. В связи с этим в дальнейших исследованиях была предпринята попытка оптимизации химических свойств техногенных грунтов, а также экранирование токсического грунта для улучшения роста корней растений. С этой целью использовались минеральные субстраты из горнопромышленных отходов.

3.2. Характеристика минеральных субстратов из горнопромышленных отходов

Карбонатитовые отходы (КО). В данном мелиоранте отмечено высокое содержание доступных для растений форм Са (123 тыс. мг/кг) и (2 тыс. мг/кг) и оптимальная обеспеченность Б, Р, Мп, Тж, Си. Серпентинитом агнезит (СМ) также имеет оптимальную для выращивания растений обеспеченность такими важными макроэлементами, как Са (3 тыс. мг/кг), ГУ^ (26 тыс. мг/кг), Я (18 мг/кг) и Р (15 мг/кг) и микроэлементами - Мп, Ре, Си, 2п. По гранулометрическому составу они относятся к гравийно-песчаной фракции (Рухин, 1969). Величина рН мелиорантов находится в нейтральных и слабощелочных пределах. Следовательно, данные минеральные субстраты имеют характеристики, которые позволяют использовать их в качестве мелиорантов при создании растительного покрова.

33. Влияние минеральных субстратов на рост и развитие растений в лабораторных условиях

Исследования проводились в период с 20.04 по 21.05.2010 г. Схема эксперимента предусматривала 3 варианта: вариант 1 - контроль (без мелиоранта) (п=8), вариант 2-е КО (п=4) и вариант 3-е СМ (п=4). Для проведения эксперимента был использован минеральный грунт техногенной пустоши (участок 1). Растения выращивали в пластиковых емкостях, на дно которых был уложен техногенный грунт (1 см), затем минеральный субстрат (1 см) (варианты 2 и 3) и слой вермикулитового субстрата (1 см). Для формирования фитоценозов применяли способ прямого посева семян. Через месяц после посева высота растений в среднем составила 26 см, мощность дернины — 3.3-4.4 см, плотность травостоя - 560-620 шт/дм2. Наибольшее накопление сырой массы отмечено в варианте с применением СМ (19.4±1.0 г) по сравнению с контролем (16.9±1.0 г) (р< 0.005) и вариантом 2 с КО (14.6±4.8 г) (р< 0.1). Отмечено, что использованные в эксперименте минеральные субстраты не являются токсичными для выращивания растений и как мелиоранты

могут быть применены в качестве рекультивационного слоя для выращивания растений на техногенных пустошах.

3.4. Апробация способа фиторекультивации с использованием минеральных субстратов в эксперименте на минеральном грунте

Опыт был заложен в июле 2010 г. на участке 1 с минеральным грунтом. Схема включала три варианта: 1 вариант - контроль (без мелиоранта) (п=5), и опытные варианты с нанесением 5-см слоя минерального субстрата - вариант 2 с СМ (п=5) и вариант 3-е КО (п=5). Для создания фитоценоза использовали способ прямого посева.

3.4.1. Влияние мелиорантов на рост растительного покрова. Во всех вариантах опыта семена взошли на 5-7 день. Далее в контроле половина проростков погибла и к концу вегетационного периода 2010 г. величина проективного покрытия здесь составила 50%, высота сохранившихся растений не превышала 5 см. В опытных вариантах высота растений к этому моменту достигала 10 см, корневые системы освоили слой мелиоранта, отдельные корни проникали в техногенный грунт на глубину 1-2 см, проективное покрытие составило 100%.

В 2011 г. в опытных вариантах отмечено массовое отрастание побегов весной и интенсивное развитие растений, а в контрольных - большой выпад. К сентябрю в опытных вариантах, в отличие от контроля, было зафиксировано полное освоение слоя мелиоранта корнями растений и их массовое проникновение на глубину более 2 см в техногенный грунт. К концу вегетационного сезона 2013 г. отмечено положительное действие обоих мелиорантов на различные биометрические показатели; корни проникли на глубину до 4 см, что обусловлено нейтрализующим воздействием мелиорантов на техногенный грунт, которое продолжалось на протяжении всего эксперимента.

3.4.2. Влияние мелиорантов на характеристики техногенного грунта

Анализ химических характеристик грунта под насыпными мелиорантами выполнен по результатам анализа проб, отобранных в 2011 и 2012 гг. Свойства техногенного грунта оценивали исходя из соответствия его показателей условиям, благоприятным для произрастания растений. К основным характеристикам грунта относятся актуальная кислотность и содержание в нем токсичных для растений элементов. Известно, что значения рН, при которых грунт не оказывает негативного воздействия на растения, находятся в диапазоне 6.1-7.4 (Ягодин и др., 2004), порог фитотоксичности оценивается как 100 мг/кг для N1 и 60125 мг/кг для Си (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).

В конце второго вегетационного сезона в 5-см слое под мелиорантами зафиксированы более высокие значения рН верхнего слоя грунта по сравнению с нижележащими слоями, причем под КО значение рН приблизилось к оптимальному (рис.1), что связано с высокой концентрацией доступного для растений Са (более 5 г/кг или 60% от валового содержания). Процесс поступления Са в грунт под КО по сравнению с СМ является более интенсивным из-за высокой концентрации в КО доступного Са. В 2012 г. содержание Са в грунте уменьшилось и стало близким под обоими вариантами мелиорантов, что отразилось на показателях актуальной кислотности техногенного грунта. Подобное снижение от 2011 к 2012 году наблюдается и в отношении доступного для растений М§, концентрация которого выше в СМ и составляет 26 мг/кг против 2 мг/кг в КО.

рН

7 6 5

4 ■

СМ

О I 5 I 10 І I 0 I 5 I 10

Верхняя отметка слоя грунта, см

-К- 2011 -О-2012

Мт

СМ

0 | 5 I 10 І | 0 | 5 I 10

Верхняя отметка слоя грунта, см —»<—2011 —о—2012

Рисунок 1. Динамика изменения рН и модуля токсичности по глубине грунта участка 1

Тенденция уменьшения концентрации Са и Mg в грунте под мелиорантами может быть обусловлена поглощением макроэлементов корневыми системами растений, проникшими в верхний 5-см слой техногенного грунта, и миграцией их по градиенту концентраций (избыток в мелиорантах — дефицит в грунте).

Установлено, что около половины Си, как и Б, находится в грунте в доступной форме, в то время как содержание Ее, А1 изменяется в диапазоне от 1 до 6%. Содержание доступных форм № и А1 по глубине отбора как в 2011, так и в 2012 г. изменялось незначительно. Содержание доступной формы меди в верхних слоях грунта под СМ в течение года практически не изменилось, в то время как в нижнем слое на глубине 10-15 см концентрация уменьшилась от 170 до 100 мг/кг. По-видимому, слой мелиоранта и травяной покров снижают интенсивность миграции меди, в то время как на большей глубине за счет наличия градиента концентрации лабильная форма меди диффундирует в нижеле-

жащие слои минерального грунта. Важно отметить увеличение в 2012 г. по сравнению с 2011 г. содержания Си в доступной растениям форме (на 20-60 мг/кг) во всех исследованных слоях грунта под КО. При этом наибольшие концентрации меди отмечены в верхнем 5-см слое грунта. Можно предположить, что лабильная сульфатная форма меди вследствие промывного режима и высокой кислотности атмосферных осадков легко мигрирует вниз по склону, на котором расположены делянки с КО, накапливаясь в грунте в латеральном направлении. Под слоем мелиоранта процесс накопления становится более выраженным из-за снижения интенсивности радиальной миграции в результате стабилизирующего воздействия сформированного фитоценоза.

Следствием изменения химического состава грунта, наряду с увеличением актуальной кислотности, является увеличение модуля токсичности Мт (рис. 1) в 2012 г. по сравнению с 2011 г., однако токсичность грунта, которой соответствует величина Мт<1, не препятствует проникновению корневых систем растений за пределы слоя мелиоранта. Таким образом, анализ химических свойств грунта на участке 1 показывает, что создание растительного покрова является не только способом реабилитации нарушенной территории в условиях действующего предприятия, но и способствует снижению интенсивности миграции ТМ за счет закрепления их в верхнем слое техногенного минерального грунта. Для того чтобы проверить предлагаемую технологию в условиях более токсичного органогенного грунта, была осуществлена закладка эксперимента на участке 2.

Глава 4. ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ СУБСТРАТОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ФИТОЦЕНОЗОВ НА ОРГАНОГЕННОМ ГРУНТЕ ТЕХНОГЕННОЙ ПУСТОШИ

4.1. Состояние растительной дернины в эксперименте на органогенном грунте

Эксперимент был заложен в июне 2011 г. на участке 2 по следующей схеме: вариант 1 - контроль (п=6) и опытные варианты - вариант 2 - на песке (п=6), вариант 3 - на СМ (п=9) и вариант 4 - на КО (п=8). Для создания растительного покрова использовали способы прямого посева семян и настила готовой ковровой дернины. Грунт участка представлен органогенным субстратом с долей растительных остатков до 21%. В 2011-2013 гг. были проведены мониторинговые исследования состояния сформированного растительного покрова.

Рост и развитие растений. В первый вегетационный сезон высота растений в контроле составляла 4-5, в варианте на песке - 11-13, на КО

и СМ - 13-17 см. На следующий год этот показатель увеличился в контроле незначительно, а в опытных вариантах в среднем в 2.5 раза (рис. 2). К августу 2013 г. высота растений достигала 20-24 см в варианте с песком и 40-70 см - на мелиорантах. В конце вегетационного сезона 2013 г. варианты опыта располагались по мере увеличения высоты растений следующим образом: контроль<песок<КО<СМ.

Наблюдения показали, что в 2011 г. во всех вариантах эксперимента большинство растений находилось в фазе третьего листа. Их переход в фазу кущения проходил разными темпами: в контрольном варианте и опытном с использованием песка фаза кущения отмечена лишь у 2% растений, в варианте с применением СМ - у 3-11, с КО - 5-22%. Созревание семян наблюдалось в середине августа 2012 г. единично в вариантах с применением мелиорантов у всех 4 видов злаков. К завершению третьего вегетационного сезона (2013 г.) растительный покров на контрольных делянках практически полностью погиб. В опытных вариантах отмечен интенсивный рост и развитие растений - все они находились в фазе созревания семян, зафиксировано образование многочисленных надземных побегов из узла, расположенного у основания главного побега растений и обильное появление боковых побегов, что свидетельствовало о наличии благоприятных условий для развития.

Рисунок 2. Характеристики растительного покрова (участок 2)

Проективное покрытие. В течение трех вегетационных сезонов в растительном сообществе на контрольных делянках наблюдалось постепенное снижение проективного покрытия с 30-70% до полной гибели растительного покрова (0-2%). В опытном варианте с применением песка к концу третьего года оно уменьшилось по сравнению с исходным на 15-20% и составляло около 80%. В вариантах с мелиорантами проективное покрытие составляло 100% в течение периода мониторинга.

А

60

□2012, на мелиорантах Д 2013, на мелиорантах ■2012, без мелиорантов А 2013, без мелиорантов

Высота растений, см

Плотность травостоя в 1 вегетационный сезон составляла 130150 в контроле, 100-150 в варианте применением песка, 90-100 тыс. побегов/м2 в варианте с КО и 50-70 тыс. побегов/м2 - в варианте с СМ. На следующий год плотность сложения уменьшилась в контроле в 5 раз, на остальных площадках в 1.5-4 раза; в начале сезона 2013 г. этот показатель снизился в контрольном варианте в 8 раз, на песке -в 12-17 раз, в вариантах с мелиорантами — в 7-9 раз. Причиной уменьшения плотности растительного покрова в контроле стал выпад растений. На мелиорантах улучшение качества субстрата усилило кущение, что привело к снижению плотности травостоя. На делянках на песке наблюдался как выпад травостоя, так и процесс кущения.

Фитомасса. Установлено, что во все годы мониторинга контрольные растения формировали по сравнению с опытными наименьшую фитомассу. Однако если в 2011 г. этот показатель был практически одинаков во всех опытных вариантах, то в последующие сезоны масса растений в варианте с использованием песка была существенно ниже, чем у растений, выращенных на КО и СМ. Так, в 2012 г. в вариантах с мелиорантами фитомасса увеличилась в 2-4, а к августу 2013 г. - в 4-9 раз и к концу эксперимента она составила 700-1000 г/м2 в варианте с применением СМ и около 900 г/м2 - с КО.

Длина наиболее развитого корня в 2011 г. различалась по вариантам опыта: в контроле она составляла 2-2.5 см, в вариантах на песке - 3-3.5 см, на мелиорантах - 4-5 см. В последующие годы этот показатель не определяли вследствие сильного переплетения корней и невозможности выделения отдельных экземпляров. Вместо этого измеряли мощность дернины. В первый год эксперимента в варианте без использования минеральных субстратов корни растений полностью находились в слое вермикулитового субстрата, поэтому мощность дернины была невелика и составляла 1-1.5 см, тогда как в опытных вариантах она составляла 2.5-3.5 см на песке и 7-7.5 см на мелиорантах (рис. 2). Во второй вегетационный период отмечено не только интенсивное освоение слоя КО и СМ корневыми системами растений, но и их частичное проникновение в техногенный грунт. Так, корни растений были обнаружены в верхнем слое торфа на делянках с подложками из СМ (на глубине 2 см) и КО (1 см). Продолжающееся благоприятное воздействие подщелачивающих мелиорантов на закисленный торфяной грунт экспериментального участка способствовало еще большему проникновению корней растений в техногенный грунт. Во второй половине третьего вегетационного сезона корневые системы растений были обнаружены на глубине 3.5 см в вари-

анте с СМ и 1.5 см - с КО. В то же время, на делянках с песчаными подложками и в контрольном варианте проникновения корней в техногенный грунт обнаружено не было ни в один из вегетационных сезонов.

Не было обнаружено статистически значимых различий по II-критерию Манна-Уитни между растительным покровом, сформированным способами прямого посева и настила ковровой дернины (р<0.05). Таким образом, способ создания фитоценоза не оказывает влияния на качество растительного покрова.

4.2. Влияние мелиорантов на химический состав растений Результаты определения химического состава надземных органов растений, собранных в конце второго вегетационного сезона (сентябрь 2012 г.), во всех вариантах эксперимента показали превышение уровня токсичности в 1.5-2 раза по содержанию таких поллютантов, как Сг, N1 и Си (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Это связано с их постоянным поступлением в грунт и на поверхность растений в результате выбросов комбината (Кашулина, Салтан, 2008). Следует отметить, что часть этих элементов, по-видимому, включилась в химический состав растений не путем транспорта через корневые системы, а в результате внешней абсорбции (Когіоу еі аі., 2000; Титов и др., 2007). Содержание Со в листьях было высоким, но ниже предела токсичности, а содержание таких микроэлементов, как Іл, V, Мп, Аб, Бе, С<1, РЬ в надземных органах растений оказалось близким к средним значениям по литературе.

В выбросах комбината содержатся Са и М£ (Евдокимова, 1995), их содержание в листьях было выше средних значений (Якушкина, Бах-тенко, 2012). Таким образом, на химический состав надземных органов растений существенное влияние оказывает аэротехногенная нагрузка и содержание элементов в мелиорантах.

43. Влияние фиторекультивации на свойства органогенного грунта техногенной пустоши

4.3.1. Химические свойства органогенного грунта. В результате сопоставления химического состава усредненной пробы органогенного грунта с данными для торфогрунта, взятого в качестве стандарта (ООО «Северо-западная торфяная компания») установлено, что актуальная кислотность техногенного грунта (рН 4.0) выше, чем контрольного торфа (рН 6.3). Соотношение содержания доступных компонентов в техногенном и стандартном торфе показало значимое (примерно в тысячу раз) превышение концентраций в техногенном грунте для Си и А1, для Ре и Б - в 30 раз, для № и 2п в 10-15 раз относительно стандартного значения. Из питательных элементов концентрации Мп и № близки к

оптимальным, в то время как содержание других элементов очень низкое: содержание Р и ниже нормы в 5-10 раз, К и Са - в 25-30 раз. Таким образом, торфяной грунт Мончегорской техногенной пустоши характеризуется высокими значениями N1, Ъъ, Ре, Б, экстремально высокими - Си и Б и низкими - остальных элементов.

4.3.2. Анализ процессов миграции ТМ в органогенном грунте. Химический состав грунта свидетельствует о наличии градиента концентрации меди и никеля, причем с увеличением глубины концентрация доступной формы N1 росла, а Си - уменьшалась. Методом факторного анализа совокупности содержания компонентов в доступной для растений форме выявлено действие двух основных процессов, влияющих на систему показателей химического состава грунта. В первом факторе (вклад 32%) сгруппированы концентрации Си, С, Б, во втором (вклад 21%) -N1, Со, А1, Ре, Мп. Распределение элементов по факторам показывает, что соединения меди связаны с органической составляющей грунта, а никеля - с его минеральными компонентами.

В течение одного летнего периода происходит изменение концентрации ТМ по слоям грунта, причем и для Си, и для N1 наблюдается уменьшение концентрации в самом верхнем слое и увеличение в более глубоких слоях. В то же время концентрация щелочных компонентов, в том числе Са, в течение летнего периода уменьшалась во всех слоях, и в наибольшей степени - в верхнем слое.

Совокупное действие процессов миграции различных компонентов отражается на интегральных показателях - рН и Мт грунта (рис. 3).

Значения рН в июне ниже, чем в сентябре вследствие поступления в грунт загрязняющих, прежде всего кислотообразующих, веществ, накопленных в снежном покрове. Особенностью органогенного грунта является высокая токсичность, на снижение которой оказывает влияние Са и Mg в доступной форме. Учитывая то обстоятельство, что в настоящее время извлечь из грунта токсичные компоненты не представляется возможным, для улучшения его свойств может быть предложен способ, предусматри-

Мт, рН -х-Мт -о-рН

Торф Лесок Р СМ КО

0--0-0 V V

•ч/ Г"

/

09.11 06.12 09.12 09.11 06.12 09.12 09.11 06.12 09.12 09.11 06.12 09.12

Период наблюдений

Слон грунта 0 - 5 см Рисунок 3. Динамика изменения модуля токсичности и рН в верхнем слое органогенного грунта в различных вариантах эксперимента

вающий восполнение дефицита щелочных макрокомпонентов путем внесения в грунт избыточного количества соединений кальция и магния.

4.3.3. Влияние мелиорантов на свойства органогенного грунта. Сравнительные исследования грунта под субстратами и исходного грунта показали, что в конце первого вегетационного сезона (рис. 3) по актуальной кислотности показатели грунта под мелиорантами были близки к оптимальным. Кроме того, было получено существенное снижение Мт и увеличение рН в верхнем слое грунта не только под мелиорантами, но и под слоем песка, что может быть связано с высокими концентрациями щелочных компонентов и достаточно резким снижением концентрации доступной Си за счет миграции. Однако в следующем году (2012 г) в варианте с песком, как и в органогенном грунте, отмечается увеличение концентрации Си (за счет перераспределения), уменьшение Са, что привело опять к увеличению Мт.

Верхний слой грунта под мелиорантами отличается более благоприятными условиями по сравнению с другими вариантами опыта. В течение вегетации под КО сохраняется характерная для меди тенденция снижения концентрации с глубиной, а в грунте под слоем СМ данная закономерность нарушается, что сопровождается увеличением содержания доступной растениям меди. К концу вегетационного сезона Мт верхних слоев грунта под мелиорантами снижается за счет поступления из них соединений кальция и магния. Таким образом, установлено, что использованные в эксперименте минеральные субстраты улучшают характеристики верхнего слоя техногенного грунта.

4.4. Изменение свойств мелиорантов на экспериментальных участках

Аэротехногенная нагрузка оказала существенное влияние на содержание доступной растениям меди, никеля и серы в мелиорантах. Содержание всех элементов в обоих мелиорантах значительно увеличилось. Однако для СМ были получены более высокие значения поглощения всех токсичных элементов. Изменение содержания кальция и магния также зависело от вида мелиоранта. В СМ наблюдается тенденция снижения концентрации избыточного магния, а в КО - кальция. Модуль токсичности мелиорантов, испытывавших аэротехногенную нагрузку в течение 2-3 лет, был выше, чем исходных субстратов, однако существенно меньше единицы. Показатель рН мелиорантов находился в слабощелочном интервале, в пределах, благоприятных для развития растений (Ягодин и др., 2004).

Таким образом, основными факторами, влияющим на показатели (химический состав, рН, Мт) грунта, являются химический состав мелиорантов и степень удаленности от источника выбросов. Оба вида минеральных субстратов по прошествии 2-3 вегетационных сезонов были охарактеризованы как благоприятные составляющие грунта для произрастания растений.

Глава 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СПОСОБА ФИТОРЕКУЛЬТИВАЦИИ

В рамках настоящих исследований подготовлены сметы затрат на выполнение фиторекультивационных работ. Для удобства анализа структуры расходов сметы рассчитаны индивидуально для различных этапов реализации предлагаемой технологии. Рассчитаны следующие локальные сметы: №1 -на подготовку территории с внесением в качестве мелиоранта КО ОАО «Ковдорский ГОК» и их транспортировкой автомобильным транспортом; №2 - подготовка территории с использованием СМ (ЗАО "Литосфера"), транспортировка ж/д транспортом; №3 - создание фитоценоза методом прямого посева; №4 - выращивание ковровой дернины.

Сметы №1 и 2 отличаются стоимостью внесения мелиоранта за счет использования разных средств механизации. Отпускная цена СМ составляет 590 руб/т, практически та же стоимость заложена для КО, которые в настоящее время предприятие ОАО «Ковдорский ГОК» не реализует. Стоимость подготовки почвы по смете №1 существенно выше, чем по смете №2 вследствие использования дорогостоящего автомобильного транспорта для перевозки мелиоранта. Поскольку в структуре затрат смет №1 и 2 транспортные расходы составляют практически половину, их снижение за счет доставки мелиоранта по железной дороге существенно уменьшит общие расходы. Технологии создания растительного покрова также отличаются по стоимости, причем выращивание и последующее устройство газона из готовой ковровой дернины (смета №4) является более дорогим способом по сравнению с прямым посевом (смета №3).

На сегодняшний день ориентировочная стоимость рекультивации одного гектара территории по наиболее простой технологии, включающей только планировку территории и посев травянистых растений, составляет величину порядка 1.0 млн. рублей. Стоимость проводимых Мончегорским лесхозом работ по озеленению территории пустоши с использованием привозного торфа и семян многолетних трав составляла 3.6 млн. руб/га. Затраты на разработанную технологию, ориентированную на специфические условия Субарктики, согласно представленным расчетам составляют величину 3.5-5 млн. руб./га, т.е. стоимость предлагаемой инновационной технологии сопоставима

с расходами на ранее проводившиеся на этой территории фиторекультиваци-онные работы традиционным способом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Северные экосистемы очень уязвимы к воздействиям, вызываемым деятельностью горнопромышленного комплекса, который играет ведущую роль в экономике Мурманской области. Основными последствиями их работы является загрязнение больших наземно-водных территорий и возникновение отвалов вскрышных пород и хранилищ отходов. В настоящей работе сделана попытка разработки основ технологии, которая может способствовать частичному решению существующих проблем. Основная гипотеза этой работы такова: отходы производственной деятельности горнопромышленных комбинатов могут быть применены для фиторекультивации наиболее техногенно нарушенных территорий - техногенных пустошей в условиях Субарктики.

Работа выполнена на минеральном и органогенном техногенных грунтах. На них формировали подложки из минеральных субстратов, поверх которых наносили вермикулитовый субстрат и создавали растительный покров из злаковых растений. Такой способ позволил в короткие сроки улучшить свойства исходного техногенно загрязненного грунта и сформировать высококачественный травостой без использования дефицитных почвы и торфа. Растительный покров оказался устойчивым к аэротехногенной нагрузке и способным к самостоятельному существованию. В результате проведенных исследований была разработана инновационная экономически обоснованная технология фиторекультивации пустоши (патент № 2484613).

Результаты настоящей работы дают основание считать, что фитоценоз, устойчиво функционирующий на минеральных отходах с высокой нейтрализующей способностью, будет удерживать минеральные частицы пылевых выбросов и служить геохимическим барьером, препятствующим проникновению соединений ТМ в техногенный грунт, снижая тем самым интенсивность процессов их миграции в почвенные и водные объекты. Можно предположить, что созданные фитоценозы «запустят» естественную восстановительную сукцессию на данных участках техногенной пустоши (Ганичева и др., 2004).

ВЫВОДЫ

1. Минеральный и органогенный грунты техногенной пустоши негативно влияют на рост ковровой дернины из злаковых растений, выстеленной непосредственно на поверхность грунта, что привело к ее деградации в течение 2 лет, а в условиях органогенного грунта - к после-

дующему интенсивному заселению дернины пионерным видом мха Сегсйос1оп ригригеш.

2. Изучение минеральных отходов (серпентинитомагнезит и карбона-титовые отходы) показало, что они относятся к гравийно-песчаной фракции, имеют нейтральную и слабощелочную реакцию среды, содержат большое количество эссенциальных элементов, что позволяет использовать их в качестве мелиорантов.

3. Растительный покров, созданный по разработанной инновационной технологии, через 3-4 вегетационных периода имел 100% проективное покрытие, высокую фитомассу (500-1000 г/м2), при этом способ создания растительного покрова (посев семян в субстрат или настил ковровой травяной дернины) не оказывал существенного влияния на его качество.

4. Наилучшее развитие корневых систем растений отмечено в вариантах на мелиорантах, где они сформировали дернину мощностью 7-8.5 см и проникли в техногенный грунт на глубину 1.5-4 см.

5. Исследование концентраций токсикантов на разной глубине техногенного минерального грунта пустоши показало, что нанесение слоя мелиорантов способствует снижению миграции ТМ за счет закрепления их в верхнем слое грунта.

6. Установлено, что использованные в эксперименте минеральные субстраты улучшают характеристики верхнего слоя органогенного техногенного грунта (рН, модуль токсичности).

7. Модуль токсичности мелиорантов, испытывавших аэротехногенную нагрузку в течение 3 лет, повышается, но имеет значения меньше единицы, реакция среды субстратов остается в слабощелочном интервале, что свидетельствует о сохранении ими свойств, благоприятных для роста и развития растений.

8. Расчет стоимости затрат на проведение работ по фиторекультивации техногенных пустошей разработанным инновационным, ориентированным на специфические условия Субарктики, экспресс-способом, в основе которого лежит комплексное использование минеральных субстратов (мелиорантов) из отходов горнопромышленного комплекса, вермикулита и травянистых злаковых растений, выявил сумму, сопоставимую с затратами на традиционный метод, предполагающий нанесение дефицитного в регионе и не обладающего нейтрализующими свойствами торфа.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ I Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России: Статьи:

1. Иванова Л.А., Костина В.А., Кременецкая М.В., Иноземцева Е.С. Ускоренное формирование противоэрозионных травостоев на техногенно нарушенных территориях Заполярья // Вестник Мурманского государственного технического университета. 2010. Т. 13. № 4-2. С. 977-983.

2. Иванова Л.А., Слуковская М.В., Иноземцева Е.С. Восстановление растительного покрова на техногенно-нарушенных территориях в условиях Кольского Севера на основе использования гидропонной экспресс-технологии // Инженерная экология. 2012, №5(107). С. 14-31. ISSN 0204-3483.

3. Слуковская М.В., Горбачева Т.Т., Иванова Л.А., Иноземцева Е.С. Проблемы применения технологии ковровых газонов при рекультивации техногенных пустошей // Инженерная экология.2013, №5(113). С. 48-61. ISSN 0204-3483.

4. Слуковская М.В., Иванова Л.А., Горбачева Т. Т., Дрогобужская C.B., Иноземцева Е.С., Марковская Е.Ф. Применение карбонатитового мелиоранта для биорекультивации техногенно загрязненного грунта в зоне воздействия медно-никелевого комбината // Труды Карельского Научного Центра. 2013 (в печати).

Патенты:

1. Иванова Л.А., Кременецкая М.В., Горбачева Т.Т., Иноземцева Е.С., Корытная О.П. «Способ создания почвенно-растителыюго покрова при рекультивации нарушенных земель»: Патент на изобретение № 2484613. Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений РФ 20.06.2013 г. Бюл. №17.

2. Иванова Л.А., Кременецкая М.В., Иноземцева Е.С. «Способ создания газонной дернины»: Патент на изобретение № 2477947. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 20.03.2013 г. Бюл. №9.

3. Иванова Л.А., Иноземцева Е.С., Кременецкая М.В. «Способ ускоренного формирования и ремонта газонов»: Патент на изобретение № 2477946. Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений РФ 27.03.2013 г. Бюл. №9.

II Материалы всероссийских и международных конференций:

1. Кременецкая М.В., Иноземцева Е.С. Рулонная дернина как инструмент биорекультивации отходов обогащения сульфидных медно-никелевых руд // Биология: от молекулы до биосферы. Материалы IV Международной конференции молодых ученых. Харьков: ППВ "Нове слово", 2009. С.338-339.

2. Кременецкая М.В. Использование травосмесей на основе вермикулита для рекультивации загрязненных территорий // Ломоносов-2010: Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых; секция "Биология". Тезисы докладов. - М.:МАКС Пресс, 2010. С.315.

3. Слуковская М.В., Горбачева Т.Т., Иванова Л.А., Иноземцева Е.С. Применение вермикулита, серпентинита и карбонатита при рекультивации техногенных месторождений // Труды IX Всероссийской Ферсмановской научной сессии. Апатиты, 2-3 апреля 2012 г. - Апатиты: Изд-во К& М, 2012. - С. 363-366.

4. Слуковская М.В., Иванова JI.A., Горбачева Т.Т., Иноземцева Е.С. Опыт биологической рекультивации техногенной пустоши на Крайнем Севере // Са-харовские чтения 2012 года: Экологические проблемы XXI века: Мат. 12-й Ме-ждунар. научной конф., Минск, РБ. - МГЭУ им. А.Д. Сахарова, 2012. С. 397.

5. Горбачева Т.Т., Иванова JI.A., Слуковская М.В., Кременецкая И.П. Рекультивация техногенно нарушенных территорий на основе использования комплексной биотехнологии в условиях действующих производств на Крайнем Севере. // Мат. докладов VI съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева. Всероссийская с международным участием научная конференция (13-18 августа 2012 г.). Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2012. Кн. 3. С. 528-529.

6. Кременецкая И.П., Кубачина Э.Е., Слуковская М.В., Дрогобужская С.В., Лащук В.В. Влияние геоморфологии объектов гидрологической системы Мончегорской техногенной пустоши на формирование "минералов" природной воды // Труды X Всероссийской (с межд. участием) Ферсмановской научной сессии, Апатиты, 8-9 апреля 2013 г. Апатиты: Изд-во К&М, 2013. С.257-260.

7. Слуковская М.В., Кременецкая И.П., Горбачева Т.Т., Иванова JI.A. Влияние биорекультивации на процесс миграции тяжелых металлов в системе водных и почвенных объектов Мончегорской техногенной пустоши // Природно-техногенные комплексы: рекультивация и устойчивое функционирование: Сборник материалов международной научной конференции (10-15 июня 2013 г.) - Новосибирск: издательство Окарина, 2013. С. 170-173.

8. Слуковская М.В., Дрогобужская С.В., Кременецкая И.П., Слуковский З.И. Влияние рекультивации участка техногенной пустоши на миграционный статус тяжелых металлов в условиях действующего медно-никелевого производства // Биогеохимия и биохимия микроэлементов в условиях техногенеза биосферы: Материалы VIII биогеохимической школы. Гродненский гос. ун-т, 11-14 сентября 2013 г. - М: ГЕОХИ РАН, 2013. ISBN 978-5-905049-05-7. С. 430-433.

9. Алексеева С.А., Рухленко Е.Д., Кременецкая И.П., Лащук В.В., Слуковская М.В. Получение серпентиновых продуктов из отходов добычи месторождений салма-ковдорского пояса и направления их использования // Материалы V Все-росс. научной конференции "Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренц-региона в технологии строительных и технических материалов" - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2013. С. 33-35.

Монографии, статьи:

1. R. Kikuchi, Т.Т. Gorbacheva, M.V. Slukovskaya, L.A. Ivanova. Tolerance of Herbaceous Plants to Multiple Contaminations in an Industrial Barren near a Nickel-Copper Smelter. Herbaceous Plants: Cultivation Methods, Grazing and Environmental Impacts. Nova Science Publishers, Inc. 2013, pp. 95-112. ISBN: 978-1-62618-729-0.

2. Иванова Л.А., Иноземцева E.C., Слуковская М.В. Новые биотехнологии в озеленении // Питомник, частный сад, 2012, № 3. С. 14-19.

Подписано в печать 12.11.2013. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 150 экз. Изд. № 412.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Слуковская, Марина Вячеславовна, Петрозаводск

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА БОТАНИКИ И ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ

На правах рукописи

СЛУКОВСКАЯ МАРИНА ВЯЧЕСЛАВОВНА

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ СУБСТРАТОВ ДЛЯ ФИТОРЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕХНОГЕННОЙ ПУСТОШИ В УСЛОВИЯХ СУБАРКТИКИ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Специальность 03.02.08 - экология

СМ

ю

Научный руководитель

доктор биологических наук, профессор

О

см Марковская Е.Ф.

О ° СМ

3 °

Петрозаводск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................9

1.1. Техногенные пустоши. Формирование и экологическая характеристика территорий в зоне воздействия предприятий цветной металлургии..............9

1.2. Реакция наземных экосистем на аэротехногенные выбросы медно-никелевого комбината........................................................................................16

1.3. Принципы и подходы к рекультивации техногенных пустошей.........20

1.4. Виды мелиорантов и ассортимент растений, применяющихся при фиторекультивации............................................................................................23

1.5. Особенности фиторекультивации в условиях Субарктики....................28

Глава 2. РАЙОН, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...........................34

2.1. Район и место проведения исследования.....................................................34

2.2 Объекты исследования...................................................................................35

2.3. Методы исследования.................................................................................38

Глава 3. АПРОБАЦИЯ КОМПОНЕНТОВ СПОСОБА ФИТОРЕКУЛЬТИВАЦИИ ТЕХНОГЕННОЙ ПУСТОШИ...............................................................................42

3.1. Рост и развитие травяной дернины на техногенной пустоши.....................42

3.2. Характеристика минеральных субстратов из горнопромышленных отходов50

3.3. Влияние минеральных субстратов на рост и развитие растений в лабораторных условиях.....................................................................................51

3.4. Апробация способа фиторекультивации с использованием минеральных субстратов в эксперименте на минеральном грунте.......................................54

Глава 4. ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ СУБСТРАТОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ФИТОЦЕНОЗОВ НА ОРГАНОГЕННОМ ГРУНТЕ ТЕХНОГЕННОЙ ПУСТОШИ.............................................................................................................64

4.1. Состояние растительной дернины в эксперименте на органогенном грунте ..............................................................................................................................64

4.2. Влияние мелиорантов на химический состав растений............................73

4.3. Влияние фиторекультивации на свойства органогенного грунта техногенной пустоши.........................................................................................75

Глава 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СПОСОБА ФИТОРЕКУЛБТИВАЦИИ92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................94

ВЫВОДЫ................................................................................................................97

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................99

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................117

Приложение 1....................................................................................................117

Приложение 2....................................................................................................132

Приложение 3....................................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Развитие современной металлургической промышленности, характерной особенностью которой является высокий уровень эмиссии в атмосферу кислотообразующих веществ, привело к деградации наземных экосистем вблизи предприятий и возникновению техногенных пустошей (Лукина, Никонов, 1998; Яешоп е! а1., 2005; Ког1оу, 2уегеуа, 2007). Одной из них является территория около г. Мончегорска (Мурманская область, РФ), где техногенная пустошь является заключительной стадией техногенно-пирогенных дигрессий сосновых и еловых лесов (Ганичева и др., 2004).

Естественные восстановительные сукцессии такой территории особенно затруднены в условиях Субарктики. Постоянные выбросы экотоксикантов (соединения тяжелых металлов (ТМ) и 80г), поступление их в грунт, накопление в близлежащих наземных экосистемах и миграция в водную среду (Проблемы..., 2005; Кашулина, Салтан, 2008) являются причиной низкой интенсивности самовосстановления наряду с недостатком органического вещества почв и питательных веществ и отсутствием банка семян и подземных вегетативных органов вследствие частых и интенсивных пожаров (Ганичева и др., 2004). Стандартные подходы к рекультивации земель, разработанные в целом для России, на Севере зачастую оказываются нерезультативными (Арчегова, Лиханова, 2012; Капелькина, 2012; Андроханов, 2012). Традиционный метод восстановления растительного покрова (нанесение плодородного слоя) является малодоступным из-за дефицита почвенных ресурсов в регионе и их быстрой деградации в условиях действующего предприятия.

Актуальность настоящей работы обусловлена тем, что для реабили-тации территории Мончегорской пустоши, испытывающей негативное воздействие промышленности, требуется разработка особой технологии, учитывающей

вышеуказанную специфику (Андроханов и др., 2000; Капелькина, 2012). Одним из подходов является использование удобрений пролонгированного действия (Лукина и др., 2001). В Мурманской области, благодаря наличию высокоразвитого горнопромышленного комплекса, в отвалах вскрышных пород и хвостохранилищах заскладированы минеральные отходы, содержащие карбонаты и силикаты Са и Их большие запасы и недостаточная

изученность возможности применения при проведении

фиторекультивационных работ предопределили направление исследований.

Цель работы - разработать научные основы фиторекультивации территории техногенной пустоши с применением минеральных субстратов из отходов горнопромышленного комплекса в импактной зоне медно-никелевого комбината в условиях Субарктики.

Задачи исследования

1. Выявить возможности использования минеральных отходов в качестве субстратов (мелиорантов) для фиторекультивации техногенно-трансформированного грунта пустоши.

2. Исследовать особенности роста и развития травостоя злаковых растений в искусственном фитоценозе в зависимости от типа грунта и вида использованного мелиоранта.

3. Разработать инновационный подход к фиторекультивации территории техногенной пустоши в зоне влияния медно-никелевого производства.

4. Оценить экономическую эффективность разработанной технологии.

Основные положения, выносимые на защиту.

Минеральные субстраты из горнопромышленных отходов, содержащие карбонаты и силикаты Са и являются эффективными мелиорантами,

способствующими созданию благоприятных для произрастания растений эдафических условий на территории техногенной пустоши.

Травостой из злаковых растений, сформированный на вермикулитовом субстрате по разработанной запатентованной технологии без использования дефицитных в регионе почвы и торфа, устойчив к аэротехногенной нагрузке, способен к самостоятельному существованию и обеспечивает начальный этап восстановительной сукцессии.

Разработанная технология, основанная на комплексном использовании минеральных субстратов (ковдорского вермикулита, мелиорантов из горнопромышленных отходов) и устойчивых к аэротехногенной нагрузке многолетних травянистых злаковых растений является эффективным, экономически обоснованным способом фиторекультивации техногенно нарушенных земель в зоне аэротехногенного воздействия медно-никелевых производств в условиях Субарктики.

Научная новизна. Разработан новый подход к фиторекультивации территории техногенной пустоши в условиях Субарктики, способствующий снижению токсичности грунтов, предотвращению миграции ТМ в окружающие природные объекты и обеспечивающий процессы ускоренного формирования высококачественного растительного покрова. Впервые в качестве мелиорантов для реабилитации техногенных пустошей в Субарктике применены отходы предприятий горнопромышленного комплекса.

Теоретическая значимость. Сформулирована концепция ускоренного формирования фитоценозов из злаковых растений в условиях Субарктики. Обоснованы и установлены закономерности роста и развития растительных сообществ в зависимости от типа техногенного грунта и наличия мелиоративного слоя. Выдвинута и подтверждена гипотеза о высокой мелиоративной способности отходов горнопромышленного комплекса, содержащих карбонаты, силикаты Са и М^, и возможности их использования для восстановления техногенно нарушенных экосистем в условиях Субарктики.

Практическая значимость. Разработана, прошла комплексные опытно-промышленные испытания и предложена производству инновационная

технология для реабилитации техногенных пустошей с использованием минеральных субстратов из отходов горнопромышленного комплекса. Дано экономическое обоснование технологии фиторекультивации техногенной пустоши в условиях действующего медно-никелевого комбината. Проведенные исследования были поддержаны хозяйственными договорами с ОАО «Кольская горно-металлургическая компания» № 3097, № 3091 и № 3099. По результатам работы получен Акт об испытаниях и запатентованы 3 технологии (патенты на изобретения № 2484613, № 2477946, № 2477947).

Личный вклад автора состоит в участии в составе исследовательской группы в разработке программы и определении основных направлений исследования, организации и личном участии во всех блоках экспериментов, анализе и обобщении полученных результатов, разработке технологии фиторекультивации и ее апробации в укрупненных опытно-промышленных испытаниях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: «Ломоносов» (Москва, 2009); «Биология: от молекулы до биосферы» (Харьков, 2009); «61-я и 62-я студенческие конференции» (Петрозаводск, 2009, 2010); «Гармония Севера: человек и природа. Взгляд молодых» (Петрозаводск, 2010); «IX Ферсмановская научная сессия» (Апатиты, 2012); «Сахаровские чтения: экологические проблемы XXI века» (Минск, 2012); VI съезд Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Петрозаводск, 2012); «Почвоведение на Кольском полуострове и соседних территориях» (Апатиты, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работ, в том числе 4 статьи в рекомендованных ВАК изданиях, 3 патента, 16 статей в Материалах международных и всероссийских конференций, а также в 1 коллективной монографии, изданной за рубежом.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы и 3 приложений. Она

изложена на 150 стр., включает 15 табл., 25 рис. Список литературы составляют 170 источников, среди которых 60 иностранных.

Благодарности. Автор глубоко признателен научному руководителю профессору, д.б.н. Е.Ф. Марковской и постоянному научному консультанту д.б.н. Л.А. Ивановой за чуткое руководство и всестороннее содействие на всех этапах диссертационного исследования. Особую благодарность автор выражает сотрудникам лаборатории минерального сырья и силикатного синтеза ФГБУН ИХТРЭМС КНЦ РАН (г. Апатиты) за помощь в организации полевых работ и предоставление минеральных субстратов. Автор благодарит за помощь в организации и проведении полевых и аналитических работ и интерпретации данных к.т.н. И.П. Кременецкую, к.б.н. Т.Т. Горбачеву, к.х.н. C.B. Дрогобужскую, к.т.н. В.В. Лащука, Г.Н. Андрееву, Е.С. Иноземцеву, О.П. Корытную, К.В. Гостева. Также автор искренне признателен своей семье, оказывавшей всестороннюю поддержку и помощь на протяжении всего периода диссертационного исследования.

Работа выполнена при финансовой и организационной поддержке ФГБУН ПАБСИ КНЦ РАН, ФГБУН ИХТРЭМС КНЦ РАН, Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа «У.М.Н.И.К.»), ОАО «Кольская горно-металлургическая компания», ООО «Випон», Программы РФФИ 12-04-31234.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Техногенные пустоши. Формирование и экологическая характеристика территорий в зоне воздействия предприятий цветной металлургии

1.1.1. Современная характеристика техногенных пустошей мира

Деятельность предприятий цветной металлургии во всем мире связана с негативным воздействием на природную среду, что происходит в основном посредством эмиссии в атмосферу большого количества различных поллютантов, которые выпадают на близлежащие территории, загрязняя все среды жизни и приводя к деградации экосистем (Кашулина, 2002; Кетоп ег а1., 2005; Калабин и др., 2010). В северных районах такое аэротехногенное воздействие сочетается с наличием природных лимитирующих факторов, что в совокупности создает экстремальные условия для выживания растений и других организмов (Душкова, Евсеев, 2011; Петрова, Корельский, 2011).

Техногенные пустоши представляют собой открытые ландшафты с загрязненными и эродированными почвами, полностью или почти полностью (>90% площади) лишенные растительности вследствие воздействия аэротехногенной нагрузки и сопутствующих ей вырубок леса или пожаров (Ганичева и др., 2004; КогЬу, 2уегеуа, 2007а). Согласно (Ког1оу, 2уегеуа, 2007а) всего в мире отмечено образование 36 техногенных пустошей (рис. 1).

ZapolyarnyNickel ^ Ykspitilaja *Monchagor»k

».„»vana«:- Kraanouf«.^^

, "'кйьиь

W- W .^"Wagoni

BanskaStlavmca' Luban.k

i ■

«Norllak

limarían

Рисунок 1. Карта техногенных пустошей мира (по Kozlov, Zvereva, 2007а)

Подавляющее большинство пустошей (33) расположено в зонах влияния комбинатов цветной металлургии, их образование связано в первую очередь с загрязнением окружающей среды такими опасными поллютантами, как медь, никель, цинк и свинец. Исключения составляют завод по обжигу железорудного сырья в Вава (Wawa) в Канаде (Jeziorski et al., 2013) и магнезитовые заводы в Сатке (Россия) и Любенике (Словакия) (Kautz et al., 2001). Образование пустошей зачастую связано с местами, где выбросы загрязняющих веществ в атмосферу начались в 18-19 веках. Наиболее поздняя техногенная пустошь находится рядом с заводом Вентанас в Чили (работает с 1964 года) (Kozlov, Zvereva, 2007а; Cárcamo et al., 2012). Интересно, что техногенные пустоши не были обнаружены вокруг алюминиевых фабрик, которые выбрасывают (или выбрасывали раньше) большие количества фитотоксичных компонентов, главным образом фтор. Исключение составляют исследования, проводившиеся на территории Норвегии (Gilbert, 1975). В целом, техногенные пустоши представляют

относительно редкий феномен: они были зарегистрированы вокруг приблизительно 10% производств, где отмечено значимое влияние на биоту.

Преобладающая часть техногенных пустошей располагается в северном полушарии на территории стран Европейского Союза, США, Канады и Российской Федерации. Это связано с особенностями распределения производств по переработке руд цветных металлов, а также большей уязвимостью северных экосистем к негативному воздействию выбросов этих предприятий (А1ехеуеу, 1995; Андроханов, 2012). Самые

л

крупные пустоши мира располагаются в Красноярском крае (4000 км ), а также в Мурманской области (в районе гг. Мончегорск и Заполярный и пгт Никель), где на начало XXI в. суммарная территория, занятая техногенными

-л

пустошами, составляла 20-30 км (КЪагик, 2000; Тоттетк е1 а1., 2003; Ког1оу, 2уегеуа, 2007а, б). При этом лесные экосистемы были серьезно повреждены на площади 400-600 км2, а всего загрязнению была подвержена территория более чем 15 тыс. км (Ког1оу, 2уегеуа, 2007 б).

Около половины техногенных пустошей находятся в Северной Америке: 9 - в США, и 5 - в Канаде. В России находятся 10 пустошей, 3 из которых расположены в Мурманской области, 1 - возле Норильска и 6 - в районе Южного Урала. В южном полушарии техногенные пустоши отмечены лишь в Чили и Тасмании. Нет описаний техногенных пустошей в тропиках, что отражает либо географическое распределение активности выбросов, либо нехватку информации, либо высокую устойчивость тропических экосистем к экстремальному накоплению воздушных поллютантов.

Большинство техногенных пустошей (27 из 36) находятся в лесной зоне, где они заместили хвойные либо смешанные леса. Пустоши вокруг Легницы (Польша) и Маатейд (Бельгия) развились на месте пахотных земель, которые были раньше заняты широколиственными лесами. Аналогично, завод в Банска Штявница был раньше окружен лесом из бука и граба. Техногенные пустоши возле Заполярного, Норильска и Уеллоунайф

развились на северном пределе распространения деревьев субтундры, березовых лесов и кустарниковых тундр. Пустоши возле Куинтирос, Сьюпериор и в районе Майами-Глоуб окружены кустарниковыми лугами и пустыней. Пустошь в Медногорске развилась на месте степи (Kozlov, Zvereva, 2007 а).

Основным фактором дигрессионной сукцессии экосистем, находящихся в зоне воздействия металлургических предприятий, перерабатывающих сульфидное сырье, является закисление территории в результате поступления в атмосферу кислотообразующих веществ, в первую очередь диоксида серы. Наиболее чувствительными к загрязнению являются почвенный покров и состояние связанных с ним