Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Восстановление степных экосистем в зоне добычи бурого угля

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Восстановление степных экосистем в зоне добычи бурого угля"

На правах рукописи

Качаев Геннадий Викторович

ВОССТАНОВЛЕНИЕ СТЕПНЫХ ЭКОСИСТЕМ В ЗОНЕ ДОБЫЧИ БУРОГО УГЛЯ

(на основе золошлаковых отходов ОАО «Березовская ГРЭС-1»)

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

005558834

Красноярск 2014

005558834

Работа выполнена на кафедре ландшафтной архитектуры и агроэкологии ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: Демиденко Галина Александровна

доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты: Первышина Галина Григорьевна

доктор биологических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», кафедра технологии и организации общественного питания, профессор

Ковылина Ольга Павловна

кандидат биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», кафедра лесных культур, доцент

Ведущая организация: ФГБУН «Институт леса им. В.Н. Сукачева»

СО РАН

Защита состоится 26 декабря 2014 г. в 1200на заседании диссертационного совета Д 220.037.04 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, проспект Мира, 90, факс: (391) 227-36-09, e-mail: dissovet@kgau.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» и на сайте www.kgau.ru.

Автореферат разослан «¿?Р» октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г.А. Демиденко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в Российской Федерации более двух третей общего количества электрической и тепловой энергии поставляют теплоэлектростанции (ТЭЦ), работающие на углеводородном органическом топливе. В результате работы этих станций образуется большое количество отходов, часто не подлежащих вторичному использованию и требующих безопасного захоронения на специальных полигонах [Гаев, 2001; Крамарев, 2002; Лапочкин, 2001]. Наличие в золе и шлаке тяжелых и радиоактивных элементов делает золошлакоотвалы экологически опасными для прилегающих к ним территорий и водоемов. В связи с этим проблема реутилизации золошлако-вых отходов является на сегодняшний день актуальной [Пасынкова, 1974; Применение золошлаковых отходов, 1998].

В районах с интенсивной и масштабной добычей угля открытым способом происходит интенсивное изъятие экосистем и аргоэкосистем (пашни, пастбищ, сенокосов) из народно-хозяйственного оборота - уничтожается основа современного земледелия, главный производственный фактор «земля» в системе факторной экономики.

Рекультивация нарушенных земель производится в основном под лесонасаждения, т. е. происходит глобальное изменение структуры разрушаемых земель. Актуальность восстановления степных экосистем в зоне рекультивации нарушенных земель степных ландшафтов заключается в сукцессии естественных биогеоценозов. Управление отходами - основа восстановления экологического равновесия агропромышленных регионов России, в том числе Красноярского края.

Воздействие биологического фактора также весьма значительно, его результатом служит отказ сельхозпроизводителей от обработки полей севооборота; снижается плодородие обрабатываемых полей: в почвах уменьшается количество гумуса, фосфора, калия; в целом существенно снижается эффективность земледелия [Зеньков, 2011].

Цель исследования - восстановление степных экосистем и создание пастбищных агроэкосистем в зоне добычи угля открытым способом с использованием искусственно созданных почвогрунтов на основе золошлаковых отходов Березовской ГРЭС-1.

Задачи исследования:

1. Проанализировать данные о деградации экосистем при добыче бурого угля в районе Канско-Ачинского угольного бассейна.

2. Определить состав и свойства основных компонентов двух групп искусственных почвогрунтов, создаваемых на основе золошлаковых отходов с добавление гумусовых горизонтов черноземных почв и поверхностного торфа.

3. Определить токсичность искусственных почвогрунтов с применением фито- и зоотестобъектов.

4. Дать экологическую оценку состояния созданной пастбищной агроэко-системы.

Положения, выносимые на защиту:

1. Агрохимические свойства искусственно созданных почвогрунтов позволяют выделить почвогрунты, приемлемые для выращивания травяных экосистем, в том числе пастбищных агроэкосистем. Высокие показатели продуктивности фитомассы отмечались в вариантах при соотношении чернозема, торфа и золы 1:0,5:0,5; 1:1:0,5 и 1:0,5:1 в первый (полтора месяца) и 1:0,5:0,5 и 1:1:1 второй (три месяца) срок вегетации газонной смеси.

2. Данные по токсичности, полученной с помощью инфузорий, свидетельствуют о низкой токсичности условно контрольного образца чернозем-торф -1:1 - 1,2 % и в смеси в соотношении 1:1:0,5 (чернозем-торф-зола). Высокие показатели выживаемости дафний имеет вариант чернозем-торф-зола 1:1:0,5 -85-89 % соответственно с применением чернозема выщелоченного и обыкновенного. По энергии прорастания и всхожести пастбищной смеси в соотношении 0,5:0,5:1 (чернозем-торф-зола) установили, что они выше, чем у клевера и составляют 91 и 89 % соответственно. При этом снижение всхожести наблюдается при соотношении 0,5:1:1 (чернозем-торф-зола).

3. Биомасса растений клевера лугового, пастбищной смеси и разнотравной растительности (самосев) не обладает токсичностью, так как содержание исследуемых тяжелых металлов не превышает ПДК, установленной для растений. Растения, произрастающие на почвогрунтах с добавлением золы в концентрации чернозем-торф-зола 1:0,5:0,5 и 1:1:0,5, не накапливают в биомассе повышенное количество микроэлементов, концентрация которых может достигать потенциально опасного уровня для животных на подножном корме.

Научная новизна. Впервые для степных экосистем выполнена сравнительная оценка восстановления степных экосистем опытным и традиционным способами в условиях степных ландшафтов юга Средней Сибири в зоне добычи угля открытым способом. Разработаны искусственно созданные почвогрунты на основе золошлаковых отходов, выполнена оценка их токсичности с применением фито- и зоотестобъектов. Исследовано экспериментально-опытным путем ранжирование использования травяных сообществ для восстановления степных биогеоценозов и даны рекомендации.

Практическая значимость. Разработаны научно-методические приемы использования искусственно созданных почвогрунтов на основе золошлаковых отходов Березовской ГРЭС-1 для восстановления степных экосистем в зоне добычи угля открытым способом (Березовский разрез 1). Выполнены мероприятия по проведению восстановления травяных биогеоценозов для возвращения их в природную и пастбищную экосистемы.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлены и обсуждались на XIV международной конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству Сибири, Монголии, Казахстана и Болгарии» (Красноярск, 2011), Международной научно-практической конференции, посвященной Всемирному дню Земли и 110-летию КРО Русского географического общества (Красноярск, 2011), IV Международной научно-практической конференции «Управление от-

4

ходами - основа восстановления экологического равновесия промышленных регионов России» (Новокузнецк, 2012), Международной научно-практической конференции «Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития» (Красноярск, 2012), Международной заочной конференции по проблемам агро-комплекса (Красноярск, 2012), V Международной конференции молодых ученых «Инновационные тенденции развития российской науки» (Красноярск, 2012); VI Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Барнаул, 2012), XI Всероссийской конференции «Муниципальное управление и развитие территорий» (Санкт-Петербург, 2013), I Международной научно-практической конференции «Экология, окружающая среда, здоровье человека» (Красноярск, 2014) и др.

Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Все исследования по теме диссертации проводились лично соискателем и при его непосредственном участии, включая постановку задач исследования, отбор почвенных проб, получение экспериментальных данных и их математическую обработку, а также обобщение и интерпретацию полученных результатов.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 139 страницах, состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Экспериментальные данные представлены в 21 таблице и 17 рисунках. Список использованной литературы включает 126 наименований, из которых 10 - на иностранном языке.

Благодарности. Автор искренне благодарен научному руководителю д-ру биол. наук, профессору Г.А. Демиденко и д-ру техн. наук, чл.-корр. Н.В. Цугленку за методическое руководство и научные консультации в процессе выполнения работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость работы, приведена структура диссертации.

Глава 1. Литературный обзор

В главе представлен обзор литературы по экологической оценке влияния золошлаковых отходов и объектов их размещения на природные экосистемы; представлена характеристика природных условий и ресурсов геоморфологического района — Ачинская котловина; описаны факторы, приводящие к деградации экосистем при добыче бурого угля.

Глава 2. Объекты и методы исследования 2.1. Объекты исследования

Объектами исследования являлись искусственные смеси (почвогрунты), созданные с добавлением золошлаковых отходов в разных концентрациях, а также биомасса растений (клевера лугового, пастбищной смеси и разнотравной растительности, сформированной на участке путем самосева), произрастающих на рекультивированной территории.

2.1.1. Характеристика золошлакоотвалов Березовской ГРЭС-1

Отвалы для хранения золы и шлака занимают большие площади и требуют значительных затрат на их содержание. Часть золоотвалов по мере урбанизации территорий оказывается в районах жилой застройки. Золоотвалы представляют опасность для здоровья человека вследствие загрязнения атмосферного воздуха из-за пыления и водного бассейна из-за фильтрации растворов токсичных соединений. Опасность несут и золоотвалы, расположенные вблизи водных бассейнов (рек и озер), из-за возможного прорыва дамб. Значительные территории, занимаемые золошлакоотвалами, оказываются исключенными из полезного использования в народном хозяйстве. На Березовской ГРЭС сжигается уголь разреза «Березовский-1» Канско-Ачинского угольного бассейна. Шла-коудаление твердое, отходы гидравлическим способом перекачиваются в золо-отвал, состоящий из трех секций. Основными компонентами золы являются: СаО - 36 %, БЮг- 31 %, А1203 - 13 %. Содержание свободного СаО около 10 %. При фактическом числе часов использования установленной мощности и фактической зольности угля в последние годы выход золошлаковых отходов от работающих блоков Березовской ГРЭС, по данным ГРЭС, составляет 250 тыс. т в год. В настоящее время эксплуатация золошлакоотвала производится в соответствии с имеющимися на предприятии проектами мониторинга, оценки воздействия накопителя на окружающую среду (ОВОС) и проектом санитарно-защитной зоны (СЗЗ).

2.1.2. Геологическая характеристика золошлакоотвала Березовской ГРЭС-1

Золошлакоотвал Березовской ГРЭС является действующим сооружением. В комплекс рассматриваемых сооружений золоотвала входят накопительные секции, ограждающие и разделительные дамбы. В геологическом строении территории принимают участие отложения верхнего девона, перекрытые четвертичными отложениями. В генетическом отношении они представлены аллювиальными, элювиальными, болотными и техногенными образованиями. Площадка золоотвала находится в пределах Назаровского межгорного артезианского бассейна.

2.13. Экологический мониторинг за состоянием влияния деятельности Березовской ГРЭС-1 на окружающую среду

Данный раздел содержит описание факторов, приводящих к загрязнению атмосферного воздуха, почвенного покрова, поверхностных и подземных вод; радиационной обстановки в районе влияния деятельности Березовской ГРЭС-1.

В соответствии с санитарными нормами, применяемыми к промышленным объектам и строительным сооружениям, в том числе к накопителям промышленных отходов (СанПиН 2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почв»), регулярно проводится радиационный контроль на золоотвале и прилегающей территории (табл. 1).

Таблица 1

Показатели гамма-излучения на золоотвале филиала «Березовская ГРЭС»

Год ПДУ, мкРг/ч Естественный гамма-фон, мкРг/ч Средний уровень, мкРг/ч Максимальный уровень, мкРг/ч

2011 0,3 0,10 0,126 0,20

2010 0,3 0,11 0,126 0,20

2009 0,3 0,10 0,13 0,20

2008 0,3 0,11 0,124 0,20

2007 0,3 0,09 0,108 0,20

2.2. Золошлаковые отходы Березовской ГРЭС-1 как компонент для создания искусственных почвогрунтов

2.2.1. Вещественный состав золошлаковых отходов и отвальных пород

Химический состав золошлаков углей Березовского разреза отличается большим содержанием СаО. В связи с этим на золоотвале золошлаки подвергаются литификации (окаменевают). Осредненный химический состав золы представлен в таблице 2.

Таблица 2

Средний гранулометрический состав золошлаков в золоотвала БГРЭС-1

Бассейн, месторождение Содержание, %

БЮг А1203 БегОз СаО

Канско-Ачинский угольный бассейн, разрез «Березовский-1» 31,0 13,5 7,4 36,5

2.2.2. Минеральный и химический состав золошлаков

Теплоэнергетическая зола углей Березовского месторождения минералогически представлена в основном силикатами, алюмосиликатами и ферритами кальция, оксидами кальция и магния, ангидридом, гидратационно активна. Первичные золошлаковые отходы (табл. 3) имеют суммарный индекс токсичности 47. Первичные отходы имеют IV класс токсичности и по степени опасности относятся к малоопасным.

Таблица 3

Средний химический состав золы Березовской ГРЭС-1 и отвалов разреза Березовского-1

Главные оксиды По данным на 1990 г. Оп робирование 2012 г.

Электрофильтры Золоотвал Отвал разреза

БЮг 31,4±0,2 15,8±6,9 17,1±1,9 53,6±9,6

АЪОз 13,2±0,1 8,0±0,2 6,8±0,7 12,2±2,6

РеО 0,9+0,1 0,7±1,0 0,8±0,3 1,0+0,3

Ре203 7,4±0,1 7,0±1,7 6,1±1,1 5,3+1,2

М§0 6,2±0,1 4,9±0,8 4,0±0,3 1,4±0,3

СаО 36,3±0,2 46,7±5,4 35,4±2,2 3,0±0,4

БОз 2,4±0,8 7,2±4,8 2,9±0,5 0,1

со2 Не изуч. 3,61±1,88 15,4±2,03 0,51±0,53

Ка20 1±0,1 Не изуч. Не изуч. Не изуч.

К20 0,7±0,01 Не изуч. Не изуч. Не изуч.

Б - 0,18±0,22 | 0,03+0,01 0,04±0,01

Примечание: в таблице приведено среднее арифметическое ± стандартное отклонение. Атомно-эмиссионным (спектральным) анализом в золошлаках не были обнаружены Се, ЕЯ, Сс1, БЬ, Се. Химическими анализами в золошлаках не были обнаружены ртуть, олово, мышьяк, пестициды и нефтепродукты и сульфидная сера.

2.2.3. Радиационная характеристика золошлаковых отходов

Максимальная удельная эффективная активность, рассчитанная с участием всех ЕРН, равна 2,07 кБк/кг, что удовлетворяет требованиям НРБ-99. То есть, с точки зрения радиационной безопасности, золошлаковые отходы пригодны в качестве химического мелиоранта почв.

По радиационным характеристикам золошлаковые отходы безопасны и могут применяться как строительный материал второго класса. Средняя удельная эффективная активность (Аэфф) золошлаковых отходов равна 269 Бк/кг. По радиационным характеристикам золошлаки также соответствуют требованиям для химических мелиорантов.

2.3. Характеристика других компонентов для создания почвогрунтов

В этом разделе приведена характеристика торфа и используемых почв (чернозем обыкновенный и чернозем выщелоченный). Торф оздоравливает почву, снижает содержание нитратов в выращиваемой продукции в 1,5-2 раза, предотвращает накопление в растениях тяжелых металлов и других вредных веществ, ослабляет воздействие попадающих в почву ядохимикатов.

2.4. Методы исследования

В этом разделе главы рассмотрен метод экологического мониторинга, как основной метод исследования, а также общие химико-аналитические методы исследования, методы токсикологического анализа элементов экосистем, методы биохимического анализа растений, статистическая обработка результатов исследования. Содержание тяжелых металлов в почвогрунтах определялось атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре AAS-30 в ДАНИЛ КрасГАУ.

2.4.1. Методика приготовления золошлаковых смесей (лабораторный анализ)

При создании искусственных почвогрунтов использовались основные компоненты: чернозем, торф и зола. Лабораторный опыт проводился по схеме [Демиденко, Качаев и др., 2011(а)]. Искусственные золошлаковые смеси засевались пастбищной смесью, в состав которой входит: овсянница красная -25 %, мятлик луговой - 25 %, райграс пастбищный - 25 % и клевер красный (луговой) - 25 %. Норма высева - 4 г на 1 м2. Смеси готовились по равному объему. Повторность опыта - четырехкратная. После посева осуществлялся регулярный полив газонных смесей водой. Поливной вес сосудов (ПВ) и норма высева (HB) определялись лабораторным методом H.H. Николаева в кольцах H.A. Качинского (h - 100 мм, Ш - 80 мм) со съемными крышками и сетчатым дном [Агрофизические методы исследования..., 1966].

2.4.2. Полевой метод исследования состояния пастбищного биогеоценоза на искусственно созданных почвогрунтах

Полевые опыты закладывали по схеме (см. ниже) в 4-кратной повторности. Учетная площадь делянки 10 м2 расположена на равнинно-увалистом рельефе на рекультивируемой территории разреза «Березовский-1». Опыт был заложен в мае 2010 г. Сбор материала и анализ результатов был проведен в течение 3-летнего периода.

Схема полевого опыта

Схема полевого опыта была заложена с учетом двух нижеуказанных вариантов подготовки полевого участка:

I группа

Полевой опытный участок № 1 - чернозем выщелоченный (гумусово-аккумулятивный горизонт, снятый при подготовке угольного разреза к открытой добыче угля (ПСП)) (А).

Полевой опытный участок № 2 - искусственно созданная смесь чернозем-торф-зола в соотношении 1:0,5:0,5 (В).

Полевой опытный участок № 3 - искусственно созданная смесь чернозем-торф-зола в соотношении 1:1:0,5 (С).

Полевой опытный участок № 4 - искусственно созданная смесь чернозем-торф-зола в соотношении 1:0,5:1 (D).

Полевой опытный участок № 5 - искусственно созданная смесь чернозем-торф-зола в соотношении 0,5:1:0,5 (Е).

П группа

Полевой опытный участок № 6 - чернозем обыкновенный (гумусово-аккумулятивный горизонт, снятый при подготовке угольного разреза к открытой добыче угля (ПСП)) (F).

Полевой опытный участок № 7 - искусственно созданная смесь чернозем-торф-зола в соотношении 1:0,5:0,5 (G).

Полевой опытный участок № 8 - искусственно созданная смесь чернозем-торф-зола в соотношении 1:1:0,5 (К).

Полевой опытный участок № 9 - искусственно созданная смесь чернозем-торф-зола в соотношении 1:0,5:1 (L).

Полевой опытный участок № 10 - искусственно созданная смесь чернозем-торф-зола в соотношении 0,5:1:0,5 (М).

Методика посева травяного биогеоценоза

Каждый полевой опытный участок был разделен на 3 части:

> первая часть засевалась семенами пастбищной смеси (п-с),

> вторая часть - семенами клевера лугового (к-л),

> третья часть оставлена под самосев (с-с) в условиях степной разно-травно-типчаково-ковыльной растительности.

Травы высевали рядковым способом зернотравными сеялками на глубину 1,5-2,0 см.

Качество посевов оценивалось по следующим показателям: густота травостоя (количество побегов на 1 м2); высота стояния травостоя (определяли по основным компонентам травосмесей перед каждым укосом путем промера 25 растений линейкой по диагонали каждой делянки), проективное покрытие с помощью сетки по пятибалльной шкале. Для определения содержания абсолютно сухого вещества отбирали образцы с двух несмежных повторностей. Пробы предварительно измельчали, тщательно перемешивали и в специальных бюксах высушивали в сушильном шкафу при температуре 100-105 °С в течение 7-8 часов [Кирильчик, 1971].

Глава 3. Создание искусственных почвогрунтов на основе золошлаков 3.1. Формирование компонентных смесей (чернозем-торф-зола)

Изучались две группы искусственно созданных почвогрунтов [Качаев, Демиденко и др. 2011 (а)]. К первой группе (А) относятся искусственно созданные почвогрунты на основе гумусово-аккумулятивного горизонта чернозема выщелоченного (разрез 1). На основе гумусово-аккумулятивного горизонта чернозема выщелоченного (разрез 1) созданы черноземно-торфо-зольные смеси: чернозем-торф - 1:1; чернозем-зола - 1:1; торф-зола - 1:1; чернозем-торф-зола - 1:1:1; чернозем-торф-зола - 1:0,5:0,5; чернозем-торф-зола -1:1:0,5; чернозем-торф-зола - 1:0,5:1; чернозем-торф-зола - 0,5:1:1. Контрольным вариантом являлся чернозем выщелоченный.

Ко второй группе (Б) относятся искусственно созданные почвогрунты на основе гумусово-аккумулятивного горизонта чернозема обыкновенного (разрез 2). На основе гумусово-аккумулятивного горизонта чернозема обыкновенного разреза 2 созданы следующие черноземно-торфо-зольные смеси: чернозем-торф - 1:1; чернозем-зола - 1:1; торф-зола - 1:1; чернозем-торф-зола - 1:1:1; чернозем-торф-зола - 1:0,5:0,5; чернозем-торф-зола - 1:1:0,5; чернозем-торф-зола - 1:0,5:1; чернозем-торф-зола - 0,5:1:1. Контрольным вариантом являлся чернозем обыкновенный.

3.2. Основные агрохимические характеристики искусственных почвогрунтов

Для данных почвогрунтов характерны определенные агрохимические свойства. Реакция почвенного раствора варьирует от 6,7 до 7,8. Валовые формы ИРК варьируют в следующих пределах: азот - 0,15 до 0,48 % в 100 г, фосфор - от 0,02 до 0,58 % в 100 г, калий - от 0,10 до 0,35 % в 100 г. Содержание подвижных форм №К составляет: аммонийный азот - от 2,5 до 5,0 мг в 100 г, нитратный азот - от 0,2 до 8,7 мг в 100 г, фосфор - от 6,2 до 39,0, калий - от 13,0 до 39,0 мг в 100 г.

3.3. Продуктивность искусственных смесей (лабораторный опыт)

Продуктивность искусственных смесей определялась в лабораторных условиях. Результаты вегетации травосмесей, полученных при выращивании на искусственно созданных почвогрунтах первой и второй группы через 1,5 и 3 месяца, представлены на рисунках 1 и 2.

Чернозем-торф-зола...

Чернозем -торф-зола...

Чернозем -торф-зола...

1

Чернозем -торф-зола 1:1:1 п

Чернозем -зола-1:1 1ШШ

Чернозем - контроль ра^н 1 1 1 1

О 5 10 15 20

Фитомасса, г/сосуд

■ обыкновенный (группа А) выщелоченный (группа В)

Рис. 1. Продуктивность искусственных смесей через 1,5 месяца вегетации

Установлено, что наиболее высокие показатели продуктивности фитомас-сы отмечались в вариантах при соотношении чернозема, торфа и золы 1:0,5:0,5 и чернозема и торфа 1:1 в первый и второй срок вегетации. Средние параметры продуктивности отмечались в вариантах чернозема, торфа и золы в соотношении 1:1:0,5 и 1:0,5:1, а также в контрольном варианте.

Самые низкие значения продуктивности определены в вариантах с комбинацией торфа и золы и чернозема и золы 1:1 соответственно.

Чернозем-торф-зола... Чернозем -торф-зола... Чернозем -торф-зола... Чернозем -торф-зола... Чернозем -торф-зола... ■ обыкновенный ^| (группа А)

Чернозем -торф-зола 1:1:1 Торф-зола -1:1 Чернозем -зола-1:1 Чернозем -торф -1:1 Чернозем - контроль С 10 20 30 40 Фитомасса, г/сосуд

Рис. 2. Продуктивность искусственных смесей через 3 месяца вегетации

12

Высокая продуктивность через 3 месяца наблюдалась в вариантах чернозем-торф-зола - 1:1:0,5, чернозем-торф-зола - 1:1:1 ив контроле. Через данный промежуток времени продуктивность в вариантах при соотношении чернозема, торфа и золы - 0,5:1:0,5; 0,5:1:1 и 1:0,5:1 практически выравнялась и составила 7,2-7,8 и 6,8-7,2 г/сосуд соответственно для первой и второй группы опытов.

Глава 4. Анализ токсичности золошлаковых смесей с помощью тест-объектов

Эколого-токсикологическая оценка искусственных смесей, созданных на основе золошлаков Березовской ГРЭС-1, позволяет рекомендовать их для восстановления экосистем и создания пастбищных агроэкосистем [Качаев, Демиденко и др., 2011 (б)].

4.1. Тест-объект Paramecium caudatum и Daphnia magna Straus

Данные по токсичности, полученной с помощью инфузорий, свидетельствуют о низкой токсичности условно контрольного образца чернозем-торф -1:11,2 % и в смеси в соотношении 1:1:0,5 (чернозем-торф-зола) (рис. 3).

Рис. 3. Токсичность искусственных смесей (группа А)

Результаты исследования токсичности искусственных смесей, созданных на основе золошлаковых отходов с помощью тест-объекта Daphnia magna Straus, показали, что водная вытяжка, полученная из опытных образцов искусственных почвогрунтов с использованием золы в разных соотношениях, не обладает острой токсичностью. Достаточно высокие показатели выживаемости дафний имеет вариант чернозем-торф-зола 1:1:0,5 - 85-89 % соответственно с применением чернозема выщелоченного и обыкновенного.

4.2. Тест-объект растительного происхождения (клевер луговой и пастбищная смесь)

Биотестирование с помощью растений - стандартный прием, используемый для оценки загрязнения различных субстратов [Белозерова, 2003; 2004; Водолеев, 2000; 2003; 2004]. Анализируя данные, представленные в таблице 4, установили, что наибольшим фитотоксическим эффектом обладают смеси с добавлением золы в соотношении 0,5:0,5:1 (чернозем-торф-зола) и 0,5:1:1 (чернозем-торф-зола) и 1:1 (торф-зола). При этом энергия прорастания и всхожесть клевера лугового в первом варианте составила 64 и 30 % и во втором варианте 77 и 75 % соответственно.

Таблица 4

Фитотестирование искусственных золошлаковых смесей

Клевер луговой Пастбищная смесь

Вариант опыта Энергия прорастания, % Всхожесть, % Энергия прорастания, % Всхожесть, %

Чернозем (контроль) 98 100 99 100 99 100 99 100

Чернозем-торф -1:1 99 96 99 98 99 98 98 97,5

Чернозем-зола - 1:1 85 86 81 83 80 82 77 81

Торф-зола -1:1 71 63 65 48 72 32 69 24

Чернозем-торф-зола 1:1:1 85 86 67 69 85 85 74 79

Чернозем-торф-зола 1:0,5:0,5 99 100 95 96 99 99 98 99

Чернозем-торф-зола 1:1:0,5 95 96 92 98 96 98 90 94

Чернозем-торф-зола 1:0,5:1 89 91 86 89 90 91 84 85

Чернозем-торф-зола 0,5:1:1 77 76 75 74 70 68 65 69

Чернозем-торф-зола 0,5:0,5:1 64 62 30 48 78 79 75 81

Чернозем-торф-зола 0,5:1:0,5 85 87 90 92 87 90 92 93

*Над чертой - первый компонент чернозем обыкновенный; под чертой -чернозем выщелоченный.

Глава 5. Экологическая оценка состояния созданной пастбищной агроэкосистемы

5.1. Экологическая безопасность почвогрунта травяного биогеоценоза

Экологическая безопасность созданных почвогрунтов определяется прежде всего содержанием тяжелых металлов, которые и создают уровень токсичности для растений и животных организмов. Представлены данные по содержанию тяжелых металлов в искусственно созданных почвогрунтах, при этом установлено, что концентрация по основным элементам Си, 7л, С<3, РЬ не превышает ПДК. Совместное использование чернозема, торфа и золы снижает антропогенную нагрузку на пастбищную агроэкосистему, что наиболее полно проявляется в вариантах с сочетанием чернозем-торф-зола 1:1:0,5.

5.2. Химическая характеристика растительного сырья

Анализ данных, представленных в таблицах 6, 7, установил, что биомасса растений клевера лугового, пастбищной смеси и разнотравной растительности, сформированной на участке путем самосева, не обладает токсичностью, так как содержание исследуемых тяжелых металлов не превышает ПДК, установленной для растений.

5.3. Оценка качества посевов

Биохимический анализ растений, выращенных на восстановленных площадях, подтверждает проведенные ранее агрохимические и токсикологические исследования, а именно - наиболее высокие показатели по содержанию протеина отмечались в контрольных вариантах и при соотношении чернозема-торфа и золы 1:1:0,5 (рис. 4).

20 п

123456789 10 Полевой опытный участок, N9

Рис. 4. Содержание протеина в зеленой массе растений, выращенных на восстановленных опытных участках: 1 - чернозем выщелоченный-контролъ 1; 2 - чернозем 1 -торф-зола 1:0,5:0,5; 3 - чернозем 1-торф-зола 1:1:0,5; 4 - чернозем 1-торф-зола 1:0,5:1; 5 - чернозем 1-торф-зола 0,5:1:0,5; 6 - чернозем обыкновенный-контроль 2; 7 -чернозем 2-торф-зола 1:0,5:0,5; 8 - чернозем 2-торф-зола 1:1:0,5; 9 - чернозем 2-торф-зола 1:0,5:1; 10 - чернозем 2-торф-зола 0,5:1:0,5

Низкие показатели протеина отмечались в вариантах с комбинацией чернозем-торф-зола 0,5:1:0,5, причем как с использованием чернозема выщелоченного (чернозем 1), так и обыкновенного (чернозем 2). Количество зольных элементов в растениях в вышеуказанном варианте тоже низкое, однако при соотношении чернозем-торф-зола 1:0,5:1 также установлены низкие значения количества золы (рис. 5).

ю

9

5§-

ГО

4 -3 -2 -1 -

I пастбищная смесь

3 п 4 " 5 7 к,,1

Полевой опытный участок, №

Рис. 5. Содержание золы в зеленой массе растений, выращенных на восстановленных опытных участках

Содержание клетчатки имеет аналогичную тенденцию высокие показатели в контрольных вариантах и при соотношении чернозем-торф-зола 1:1:0,5 и низкие при соотношении чернозем-торф-зола 1: 0,5: 1, 0,5:1:0,5 - 14-15 и 12-13 % соответственно. Количество клетчатки в контрольных вариантах достигает значений 27-30 % (рис. 6).

35 30 25 20 15 10 5 0

3 4 5 6 7 Полевой опытный участок, №

I пастбищная смесь

10

Рис. 6. Содержание клетчатки в зеленой массе растений, выращенных на восстановленных опытных участках 16

Общее количество жира (рис. 7) в исследуемых образцах растений изменялось в пределах 2-5 %, при этом в контроле и варианте (чернозем-торф-зола -1:1:0,5) составляло в среднем 4-5 %, в остальных вариантах 3-\ %. Минимальное количество жира накапливается в растениях, выращиваемых на опытных участках при сочетании чернозем-торф-зола 1:0,5: 1 и 0,5:1:0,5 - 2-3 % соответственно.

6 5 4 й? £ 3 " X 2 -1 -п - 1 ■ пастбищная смесь

123456789 Полевой опытный участок, № 10

Рис. 7. Содержание жира в зеленой массе растений, выращенных на восстановленных опытных участках

Проективное покрытие растений на исследуемых опытных участках характеризуется максимумом в точках контроля - 92-99 % и минимумом в вариантах при соотношении чернозем-торф-зола 1: 0,5: 1 - 74-78 % и 81-84 % и в варианте чернозем-торф-зола 0,5:1:0,5 - 81-85 и 73-78 % соответственно для чернозема 1 и 2 (рис. 8).

Рис. 8. Проективное покрытие трав, выращенных на восстановленных опытных участках

Густота и высота стояния травостоя имеет аналогичную тенденцию изменению проективного покрытия. Наивысшие биохимические показатели трав отмечаются в контрольных вариантах (чернозем 1 и 2) и при выращивании на восстановленных опытных участках при соотношении чернозем-торф-зола 1:1:0,5.

5.4. Регрессионный анализ содержания тяжелых металлов в почвогрунтах и растениях

Определено, что исходное содержание тяжелых металлов в смесях, сделанных на основе чернозема выщелоченного, не отличается от содержания тяжелых металлов в параллельных вариантах смесей, сделанных на основе чернозема обыкновенного. Установлена связь между содержанием тяжелых металлов в почвогрунте и его содержанием в биомассе растений, максимальная отмечена для свинца, минимальная - для цинка. Поступление тяжелых металлов в растения го почвогрунтов на основе чернозема выщелоченного происходит интенсивнее, чем из почвогрунтов на основе чернозема обыкновенного. Общий вынос изучаемых тяжелых металлов из почвогрунтов осуществляется пастбищной смесью интенсивнее, чем самосевом.

Выводы

1. В районах с масштабной добычей угля открытым способом происходит интенсивное изъятие сельскохозяйственных угодий (пашни, пастбищ, сенокосов) из народно-хозяйственного оборота; рекультивация нарушенных земель производится под лесонасаждения, т. е. происходит глобальное изменение структуры разрушаемых земель; существенно снижается эффективность земледелия (отказ сельхозпроизводителей от обработки полей севооборота, снижение плодородия обрабатываемых полей как результат уменьшения в почвах количества гумуса, фосфора, калия и т. д).

2. Первичные золошлаковые отходы имеют суммарный индекс токсичности 47. Относятся к IV классу токсичности и по степени опасности являются малоопасными. Средняя удельная эффективная активность (АЭфф) золошлако-вых отходов равна 269 Бк/кг. По радиационным характеристикам золошлаковые отходы безопасны, могут применяться как строительный материал второго класса и соответствуют требованиям для химических мелиорантов.

3. Агрохимические свойства искусственно созданных почвогрунтов позволяют выделить почвогрунты, приемлемые для выращивания травяных экосистем, в том числе пастбищных агроэкосистем. Наиболее высокие показатели продуктивности фитомассы отмечались в вариантах при соотношении чернозема, торфа и золы 1:0,5:0,5 в первый (полтора месяца) и 1:0,5:0,5 и 1:1:1 второй (три месяца) срок вегетации газонной смеси. Средние параметры продуктивно-

сти отмечались в вариантах в соотношении 1:1:0,5 и 1:0,5:1, а также в контрольном варианте. Самые низкие значения продуктивности определены в вариантах с комбинацией торфа и золы и чернозема и золы 1:1 соответственно.

4. Данные по токсичности, полученной с помощью инфузорий, свидетельствуют о низкой токсичности условно контрольного образца чернозем-торф -1:1 - 1,2 % и в смеси в соотношении 1:1:0,5 (чернозем-торф-зола). Все показатели выживаемости дафний находятся выше предела токсичности (гибель более 20 % особей), при этом наиболее высокие значения отмечались в контрольных вариантах и при комбинации чернозема и торфа 1:1 - 95-96 % и 92-94 % соответственно. Кроме того, достаточно высокие показатели выживаемости дафний имеет вариант чернозем-торф-зола 1:1:0,5 - 85-89 % соответственно с применением чернозема выщелоченного и обыкновенного. Характеризуя данные по энергии прорастания и всхожести пастбищной смеси в соотношении 0,5:0,5:1 (чернозем-торф-зола), установили, что они выше, чем у клевера, и составляют 91 и 89 % соответственно. При этом снижение всхожести наблюдается при соотношении 0,5:1:1 (чернозем-торф-зола).

5. Биомасса растений клевера лугового, пастбищной смеси и разнотравной растительности, сформированной на участке путем самосева, не обладает токсичностью, так как содержание исследуемых тяжелых металлов не превышает ПДК, установленной для растений. Уровень концентрации тяжелых металлов приближен к ПДК только в варианте при сочетании чернозема, торфа и золы 1:0,5:1. Растения, произрастающие на почвогрунтах с добавлением золы в концентрации чернозем-торф-зола 1:0,5:0,5 и 1:1:0,5, не накапливают в биомассе повышенное количество микроэлементов, концентрация которых может достигать потенциально опасного уровня для животных на подножном корме. Статистический анализ показал, что общий вынос изучаемых тяжелых металлов из почвогрунтов осуществляется пастбищной смесью интенсивнее, чем самосевом. В этой связи для биоремедиации почвогрунтов от тяжелых металлов можно рекомендовать пастбищную смесь, а для производства кормовой фитомассы - самосев.

Практические рекомендации

Разработаны и внедрены в практику производства результаты по экологической оценке состояния созданной пастбищной агроэкосистемы при рекультивации земель и полевой опыт восстановления пастбищной агроэкосистемы в зоне добычи бурого угля Березовского разреза 1. Результаты исследования используются при преподавании курса «Сельскохозяйственная экология», подготовке бакалавров и магистров кафедры ландшафтной архитектуры и агроэкологии Института агроэкологических технологий ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Список публикаций по теме диссертации Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Демиденко, Г.А. Экологический анализ искусственных почвогрунтов, созданных на основе золошлаковых отходов / Г.А. Демиденко, Г.В. Качаев, Н.В. Фомина//ВестникКрасГАУ.-2011,-№8.-С. 149-151.

2. Качаев, Г.В. Эколого-токсикологическая оценка искусственных смесей, созданных на основе золошлаков Березовской ГРЭС-1 и рекомендованных для восстановления природных экосистем / Г.В. Качаев, Г.А. Демиденко, Н.В. Фомина // Вестник КрасГАУ. - 2011. - № 9. - С. 161-164.

3. Качаев, Г.В. Экологическая оценка качества посевов травяной растительности на искусственно созданных почвогрунтах // Вестник КрасГАУ. - 2014. -№5. -С. 158-163.

4. Качаев, Г.В. Эколого-токсикологический анализ состояния восстановленного пастбищного биогеоценоза // Вестник КрасГАУ. - 2014. - № б. -С. 97-101.

Публикации в других изданиях:

1. Качаев Г.В. Использование искусственно созданных почвогрунтов для улучшения экологического состояния агроландшафтов // Экологические альтернативы в сельском и лесном хозяйстве: сб. науч. ст. - Красноярск, 2011. -Вып. 1.-С. 97-102.

2. Демиденко, Г.А. Улучшение экологического состояния агроландшафтов в зоне добычи бурого угля (Березовский разрез 1) / Г.А. Демиденко, Г.В. Качаев, Е.В. Котенева // Мат-лы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. Всемирному дню Земли и 110-летию КРО русского географического общества. - Т. 1. -Красноярск, 2011. - С. 242-243.

3. Качаев, Г.В. Биохимическая характеристика растений, выращенных на восстановленных площадях Березовской ГРЭС-1 / Г.В. Качаев, Н.В. Фомина,

Г.А. Демиденко // Инновационные тенденции развития российской науки: мат-лы V Междунар. конф. молодых ученых. - Красноярск, 2012. - С. 15-18.

4. Демиденко, Г.А. Экологическая оценка влияния золощлаковых отходов и объектов их размещения на природные экосистемы / Г.А. Демиденко, Г.В. Качаев, Н.В. Фомина // Наука и образование: опыт, проблемы, перспективы развития: мат-лы междунар. науч.-практ. конф. - Красноярск, 2012. -С.206-208.

5. Качаев, Г.В. Экологический подход к оценке качества посевов рекультивируемых территорий Березовской ГРЭС-1 / Г.В. Качаев, Г.А. Демиденко, Н.В. Фомина // Проблемы агрокомплекса: мат-лы междунар. конф. - Красноярск, 2012. - С. 5-9.

6. Качаев, Г.В. Биотестирование искусственных смесей созданных на основе золошлаковых отходов Березовской ГРЭС-1 / Г.В. Качаев, Г.А. Демиденко, Н.В. Фомина // Аграрная наука - сельскому хозяйству: сб. ст. VI Междунар. науч. -практ. конф. Ч. 2. - Барнаул, 2012. - С. 39-41.

7. Качаев, Г.В. Рекультивация агроландшафтов в зоне добычи бурого угля (Березовский разрез 1) / Г.В. Качаев, Г.А. Демиденко, Е.В. Котенева // Экология, окружающая среда и здоровье человека: мат-лы I Междунар. (заоч.) науч.-практ. конф. - Красноярск, 2014. - С. 57-59.

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09.03 от 25.09.2003 г. Подписано в печать 2.10.2014. Формат 60x84/16. Бумага тип. № 1. Печать - ризограф. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 415 Издательство Красноярского государственного аграрного университета 660017, Красноярск, ул. Ленина, 117