Агроекологічні основи відновлення техногенно порушених земель в гірничовидобувних регіонах України

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 504.53:631.618:631.41:631.95

АГРОЕКОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ВІДНОВЛЕННЯ ТЕХНОГЕННО ПОРУШЕНИХ ЗЕМЕЛЬ В ГІРНИЧОВИДОБУВНИХ РЕГІОНАХ УКРАЇНИ

03.00.16 - екологія

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора

сільськогосподарських наук

Харитонов Микола Миколайович

Дніпропетровськ 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Дніпропетровському державному аграрному університеті Міністерства аграрної політики України

Науковий консультант - доктор біологічних наук, професор, академік УААН

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор, академік УААН Медведєв Віталій Володимирович, ННЦ «Інститут грунтозавства та агрохімії ім.О.Н.Соколовського» УААН, головний науковий співробітник (м.Харків)

доктор сільськогосподарських наук, професор Макаренко Наталія Анатоліївна, Інститут агроекології УААН, заступник директора з наукової роботи, завідувач відділу агроекологічного моніторингу (м.Київ)

доктор сільськогосподарських наук, професор Писаренко Павло Вікторович, Полтавська державна аграрна академія, декан агрономічного факультету, проректор з науково -педагогічної роботи і зв'язків з виробництвом

Захист відбудеться «29» січня 2010р. о 10 ⁰⁰годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.804.02 в Дніпропетровському державному аграрному університеті за адресою: 49600, м.Дніпропетровськ, вул. Ворошилова 25, корпуc 1, конференц-зал (ауд.342).

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Дніпропетровського державного аграрного університету за адресою: 49600, м.Дніпропетровськ, вул.Ворошилова 25.

Автореферат розісланий «22» грудня 2009р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.О. Мицик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах сьогодення, внаслідок розвитку гірничовидобувної і гірничопереробної промисловості відбувається значне порушення земної поверхні, в результаті чого набуває особливої гостроти розробка і впровадження природоохоронних технологій. Це пояснюється, зокрема, і тим, що темпи залучення в експлуатацію бідних і важкозбагачуваних руд постійно зростають. Накопичення великих об'ємів техногенних відходів у відвалах призводить до порушень природних ландшафтів, забруднення всіх складових навколишнього природного середовища, вилучення з господарчого обігу значних площ земельних угідь.

Для попередження негативних процесів виникає необхідність у прогнозі ризику забруднення навколишнього природного середовища, який повинен базуватися на результатах хімічного аналізу розкривних гірських порід, і оцінці їх фітотоксичних властивостей, які пов'язані із зниженням рН, підвищенням міграції токсичних солей важких металів після їх винесення на земну поверхню.

За останні роки темпи рекультивації значно поступалися об'ємам зростання земель порушених гірничими розробками. За даними Держкомзему України, на початок 2002 року в степовій зоні зареєстровано 87,5 тис.га порушених земель, негативний вплив яких на довкілля залежить від обраної технології видобутку корисних копалин.

Як заходи з реставрації сільськогосподарських територій були запропоновані та впроваджені технології гірничотехнічної та біологічної рекультивації порушених земель. Основні недоліки запропонованих технологій були пов'язані з недостатнім рівнем фундаментальних досліджень водно-фізичних, фізико-хімічних та біоекологічних властивостей розкривних гірських порід, а також біогеохімічної оцінки кругообігу хімічних елементів в агроекосистемах рекультивованих територій.

Польові досліди, закладені 30-40 років тому в умовах полігонів-стаціонарів сільськогосподарської рекультивації в районах порушених гірськими розробками земель, потребують додаткового обґрунтування вибору тієї чи іншої технології, яка б гарантувала найменші негативні наслідки для довкілля та отримання екологічно безпечної сільськогосподарської продукції.

Аеротехногенне забруднення від дії гірничо-металургійних комбінатів (ГМК) з видобутку та переробки залізної та марганцевої руд є додатковим джерелом спричинення значного негативного впливу на прилеглі сільськогосподарські території внаслідок системного забруднення ґрунтів важкими металами.

Таким чином, цілком актуальним є проведення поглибленого біоекологічного аналізу, апроксимації, моделювання і прогнозування еколого-гідрогеологічних та едафічних умов формування та експлуатації рекультивованих земель, інтегральної оцінки ризику техногенного забруднення біогеоценотичних компонентів довкілля в зоні дії підприємств гірничовидобувної промисловості для обґрунтування управлінських рішень покращення стану навколишнього природного середовища.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретичні розробки та експериментальні дослідження за темою дисертації були проведені протягом 1986-2008 рр. під час роботи автора в проблемній лабораторії рекультивації порушених земель, НДІ агроекології, а також на кафедрі ґрунтознавства і екології Дніпропетровського державного аграрного університету.

Поставлені в дисертаційній роботі завдання були вирішені при виконанні держбюджетних і госпдоговірних тем, у яких автор брав участь як відповідальний виконавець: «Класифікація розкривних гірських порід на основі сукупного вивчення агрохімічних, фізичних, фізико-хімічних і біологічних властивостей та інтегрованого їх впливу на продуктивність різних біологічних видів рослин» - на замовлення Держагропрому СРСР (№ ДР 01870056330, 01870056542); «Удосконалення системи створення і використання рекультивованих земель у техногенних ландшафтах степової зони України» - на замовлення Укрмінсільгосппроду (№ ДР 0194U021015); «Розробити адаптивні системи рослинництва з урахуванням зональних, еколого-ландшафтних та агрогеохімічних особливостей Степу України» - на замовлення Укрмінсільгосппроду (№ ДР 0194021017); «Вивчити особливості ґрунтоутворюючого процесу на порушених і малопродуктивних схилових землях» - на замовлення Укрмінсільгосппроду (№ ДР 0101U004231); «Природоохоронні проблеми, що пов'язані з виробленими гірничорудними територіями» - міжнародний грант НАТО для розвитку сумісного співробітництва PDD (TC) ESP.NUKR.CLG.983342.

Мета і завдання дослідження. Метою є виявлення біоекологічних особливостей формування едафотопів і функціонування агробіогеоценозів, обґрунтування способів відновлення порушених земель з використанням гірських порід як солезахисних екранів і сорбентів в гірничовидобувних регіонах України. Для досягнення поставленої мети сформульовані та вирішені такі основні завдання:

надати еколого - гідрогеологічне та агроекологічне обґрунтування способів формування та експлуатації рекультивованих земель;

оцінити ризик техногенного забруднення ґрунтів в зоні дії підприємств ГМК та розробити заходи щодо детоксикації ґрунтів, забруднених важкими металами, за рахунок підвищення їхньої буферної ємності;

визначити особливості профільної міграції водорозчинних солей для різних варіантів рекультивованих земель;

теоретично обґрунтувати та удосконалити методи моделювання і прогнозування профільної міграції водорозчинних солей на рекультивованих землях;

розробити узагальнюючий підхід виявлення факторів, що обмежують функціонування агробіогеоценозів рекультивованих земель;

провести екотоксикологічну оцінку способів сільськогосподарської рекультивації порушених земель, спрямованих на отримання екологічно безпечної сільськогосподарської продукції;

дослідити параметри поживних режимів рекультивованих земель та способи підвищення біотичної ємності фітомеліорованих гірських порід;

Об'єкт дослідження: еколого-гідрогеологічна та едафо-ценотична динаміка змін водно-фізичних, фізико-хімічних, біологічних та екологічних властивостей розкривних гірських порід та ґрунтів у процесі тривалої сільськогосподарської рекультивації.

Предмет дослідження: агроекологічні закономірності формування едафотопів і функціонування культурбіогеоценозів рекультивованих земель гірничовидобувних регіонів.

Методи дослідження:

лабораторно-аналітичні і вимірювально-вагові методи - для визначення фізичних, фізико-хімічних та біологічних особливостей відвальних порід та ґрунтів техногенно порушених земель; встановлення концентрації та інтенсивності виносу поживних речовин та важких металів з надземною масою сільськогосподарських культур загальноприйнятими методами гідрогеології, ґрунтознавства, агрохімії, аналітичної хімії тощо;

лабораторні і польові - для визначення ефективності застосування біопрепаратів, мінеральних добрив, засобів детоксикації важких металів та їхнього впливу на кількісні і якісні показники біопродуктивності сільськогосподарських культур, які вирощували на варіантах техногенно забруднених і рекультивованих ґрунтів;

ГІС - технології - для просторо-ландшафтної геохімічної оцінки стану сільськогосподарських територій, виявлення небезпеки техногенного забруднення сільськогосподарських культур;

математично-статистичні методи - при побудові математичних моделей засолення рекультивованих земель, встановленні вірогідності отриманих результатів експериментів, функціональних взаємозв'язків між різними чинниками і процесами на основі математично-статистичних та розрахунково-порівняльних методів аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів. Дисертаційна робота є комплексним завершеним дослідженням агроекологічних основ відновлення техногенно порушених земель в гірничовидобувних регіонах України.

Вперше обгрунтовано і розроблено наукові положення щодо відновлення порушених земель з використанням гірських порід як солезахисних екранів і сорбентів в гірничовидобувних регіонах України. Показано, що вибір способу відновлення порушених земель повинен базуватися на результатах еколого - гідрогеологічної та агроекологічної оцінок процесів профільного засолення і забруднення ґрунтів важкими металами, на використанні даних щодо буферних властивостей розкривних гірських порід та ґрунтів як потенційних геомембран.

Вперше за використання методів моделювання науково обгрунтовано довгостроковий прогноз змін грунтово-екологічних умов відновлення земель у районах видобутку корисних копалин Степу України. Доведено, що для умов, коли породи відвалу виступають джерелом фітотоксичних солей, а перекриваючі шари лесоподібного суглинку і чорнозему - їх об'ємним фільтром, підвищення екологічної безпеки рекультивованих земель досягається за рахунок задіяних декількох геохімічних бар'єрів (механічного, сорбційного, окисно-відновлювального, лужного).

Вперше установлено, що під час рекультивації різна ступінь окислення-відновлення, екстраміцеллярності та інтраміцеллярності поглинання речовин неоднаково позначається на проходженні процесів вивітрювання гірських порід, зростанні буферної та біотичної ємності фітомеліорованих субстратів.

Удосконалено концепцію поетапного інтегрального підходу з оцінки ризику аеротехногенного забруднення сільськогосподарських територій важкими металами. Визначено, що розбалансованість основних біохімічних процесів аеротехногенно забруднених ґрунтів (пригнічення активності уреази, фосфатази) є передумовою техногенної деградації чорноземів. Поглиблено знання про агроекологічну роль буферної ємності чорнозему в умовах впливу важких металів та указані перспективи використання мінералів та розкривних гірських порід з підвищеною ємністю поглинання як сорбентів для детоксикації техногенно забруднених ґрунтів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони створюють наукове підґрунтя методик, способів, класифікацій, рішень, які забезпечують ефективне відновлення земель, техногенно порушених гірничими розробками до рівня, придатного для ефективного використання у народному господарстві. Запропоновано методики розрахунку параметрів часу формування вологозапасу у варіантах рекультивації з штучним глинистим водотривом, прогнозування динаміки рівня ґрунтових вод породного відвалу без дренажу та на фоні горизонтального дренажу зі зрошенням (за двома гідродинамічними схемами).

Методики використано при:

визначенні параметрів часу формування вологозапасу для варіантів рекультивації з глинистим водотривом в умовах північного та південного Степу;

розрахунках рівня ґрунтових вод на рекультивованих відвалах за двома гідродинамічними схемами: «прямокутна ділянка зрошення у необмеженому пласті» та «прямокутна ділянка інфільтрації у пласті-полосі з межами першого роду».

Методика обґрунтування експлуатації рекультивованих земель без зрошення (з водотривом) та при наявності дренажу впроваджена у філіалі «Вільногірський ГМК» ЗАО «Кримський Титан» (акт впровадження - від 23.12.2008 р.). Розроблено методологію моделювання та прогнозу вертикального вологосолепереносу в рекультиваційному шарі в умовах, коли підстилаючи породи виступають джерелом токсичних солей. Методологію використано при:

визначенні оптимальної потужності насипного шару чорнозему, що забезпечує зниження засолення ґрунту у 2,5-3,0 рази;

розробці прогнозу засолення рекультивованих шахтних відвалів у Західному Донбасі.

Запропоновані методики моделювання та прогнозу вертикального вологосолепереносу та комплекс природоохоронних заходів забезпечення сприятливих еколого-меліоративних умов одержання сталих врожаїв зернових та овочевих культур в рекультиваційному шарі пройшли виробничу перевірку на ВАТ «Павлоградвугілля» (акт впровадження - від 10.07.2007р.).

Гідрохімічний аналіз потенційних джерел зрошення у Західному Донбасі та Нікопольському марганцеворудному басейні показав, що певна частка поверхневих та підземних вод може бути придатною для зрошення після визначення ризику осолонцювання ґрунтів. В умовах навчгоспу «Самарський» ДДАУ: з 1998 по 2000рр. - на овочевій сортодільниці Інспектури Держкомісії з випробування та охорони сортів, а з 2006р. - на території орендованій ПП «Гордон» проведені дослідження забезпечення сприятливих ґрунтово-екологічних умов у випадку застосування як джерела крапельного зрошення томатів води з річки Самара (акт впровадження - від 8.12.2008р.) та апробовані методичні рекомендації з ефективного застосування біопрепаратів при вирощуванні овочевих і баштанних культур (Київ, 2005). рекультивований земля сільськогосподарський екологічний

Науково обгрунтовано заходи з обробки насіння фосфатмобілізуючим біопрепаратом - мікоризою при вирощуванні озимої пшениці на рекультивованих шахтних відвалах Західного Донбасу. Застосування агрозаходу мікорізації насіння забезпечує ефективність експлуатації рекультивованих шахтних відвалів за рахунок маловитратного вирощування озимої пшениці (акт впровадження - від 10.07.2007 р.). В умовах Орджонікідзевського стаціонару рекультивації земель доведено, що використання мікробіологічних препаратів, які покращують асоціативну азотфіксацію у ризосфері та імунитет рослин озимої пшениці на фітомеліорованих гірських породах, забезпечує стабілізацію прояву адаптивного потенціалу рослин в умовах екологічного стресу і є необхідним заходом при фіторекультивації. Розроблено методичні рекомендації з ефективного застосування біопрепаратів азотфіксуючих, фосфатмобілізуючих мікроорганізмів і антагоністів фітопатогенних грибів при вирощуванні пшениці озимої на чорноземних ґрунтах і фітомеліорованих гірських породах (Сімферополь, 2004; Київ, 2005).

Розроблену під час виконання дослоідження концепцію поетапного інтегрального підходу при оцінці ризику техногенного забруднення сільськогосподарських територій важкими металами, застосовано для визначення екологічного впливу вибухових робіт на прилеглі до відкритих кар'єрних розробок залізної руди в Кривбасі сільськогосподарські території, а також для картування забруднення важкими металами земель під зрошенням у господарствах Криворізького та Широківського районів Дніпропетровської області.

Результати науково-дослідних робіт за темою дисертації впроваджено у навчальний процес кафедри екології та ґрунтознавства Дніпропетровського державного аграрного університету при викладанні лекційних курсів та проведенні практичних занять з дисциплін «Моніторинг довкілля», «Сучасні проблеми агроекології», «Екологічна експертиза», «Інженерна екологія», «Екологічна паспортизація», а також при виконанні дипломних робіт.

Особистий внесок здобувача. Запропонована методологія моніторингу відновлення техногенно порушених земель, яка дозволяє моделювати та прогнозувати рівні ґрунтових вод та наслідки вертикального вологосолепереносу в штучному ґрунтовому профілі рекультивованих земель. Розроблено концепцію поетапного інтегрального підходу при оцінці ризику техногенного забруднення сільськогосподарських територій важкими металами, що дозволяє мінімізувати негативний вплив вибухових робіт на прилеглі до відкритих кар'єрних розробок сільськогосподарські території. Здобувач безпосередньо відбирав проби на полігонах - стаціонарах та експериментально-виробничих ділянках рекультивації. Ним особисто оцінено та систематизовано показники фізико-хімічних і біологічних властивостей рекультивованих земель та техногенно забруднених ґрунтів, установлено статистичні залежності між ними. Здобувач брав участь у розробці адаптивних систем рослинництва при освоєнні порушених земель з урахуванням зональних, еколого-ландшафтних та агрогеохімічних особливостей Степу України. За його участю розроблені рекомендації з ефективного застосування біопрепаратів азотфіксуючих, фосфатмобілізуючих мікроорганізмів і антагоністів фітопатогенних грибів при вирощуванні пшениці озимої на чорноземних ґрунтах та фітомеліорованих гірських породах. У дисертаційній роботі автор використав власні ідеї та отримані на їх основі результати досліджень, а також частково ряд опублікованих положень у співавторстві. У виконанні окремих експериментів брали участь співробітники проблемної лабораторії рекультивації земель та НДІ агроекології ДДАУ, на що зроблене посилання в дисертації.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, основні положення та висновки дисертації доповідались та обговорювались на вчених радах Дніпропетровського державного аграрного університету, на наукових конференціях, семінарах, з'їздах: V Уральській нараді «Проблеми рекультивації порушених земель» (Свердловськ, 1988); Всесоюзному семінарі «Біогеохімічна індикація навколишнього середовища» (Ленінград, 1988); на виїздному засіданні республіканської координаційно-методичної ради з проблеми ефективного використання зрошуваних земель для нарощування і стабілізації виробництва кормів і кормового білка. - (Вінниця, 1995); першій міжнародній науково-практичній конференції «Сталий розвиток: забруднення навколишнього середовища та екологічна безпека» (Дніпропетровськ, 1995); Міжнародній науковій конференції, до 90-річчя з дня народження проф. М.О.Бекаревича (Дніпропетровськ, 1996); другій та третій науково-практичних конференціях «Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів» (Дніпропетровськ, 2003, 2005), науково-практичному семінарі НАТО: «Хімічне забруднення ґрунту, оцінка ризику, очищення та безпека» (Софія, 2007), на першому Українському екологічному конгресі (Київ, 2008).

Публікації. Результати досліджень і матеріали за темою дисертації викладено у 65 наукових публікаціях, з яких - 33 статті у фахових виданнях ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з семи розділів, з яких 5 є експериментальною частиною роботи, вступу, загальних висновків, рекомендацій виробництву, додатків та списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації 306 сторінок комп'ютерного тексту, з них основного тексту 241 сторінка, 47 таблиць, 88 рисунків, 23 додатка на 25 сторінках. Список використаних джерел включає - 427 найменувань (з них 45 - латиницею).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

СТАН ПРОБЛЕМИ ВІДНОВЛЕННЯ ТЕХНОГЕННО ПОРУШЕНИХ ЗЕМЕЛЬ В УМОВАХ ГІРНИЧОВИДОБУВНИХ РЕГІОНІВ. Визначено, що стан проблеми відновлення техногенно порушених та забруднених земель залежить від сукупної дії обмежуючих природних і антропогенних факторів. Наведено аналіз експериментальних даних і теоретичних розробок, опублікованих зарубіжними та вітчизняними дослідниками, щодо вивчення перспектив відновлення техногенно порушених земель в різних природнокліматичних умовах. Зроблено висновки, що в основу теорії рекультивації порушених земель необхідно покласти концепцію просторової локалізації і нейтралізації шкідливих впливів гірничих розробок на довкілля та створення умов для активного самовідновлення ландшафтів з використанням родючих ґрунтів, попередньо знятих із земель гірничих відводів. Застосовані на практиці і в проектах рішення не в повній мірі ураховують можливість підвищення ефективності рекультиваційних заходів за рахунок обґрунтованого використання винесених на поверхню гірських порід як водотривів, надійних геохімічних екранів, засобів фітомеліорації та детоксикації. Пом'якшення негативного впливу підприємств гірничо-металургійного комплексу на стан сільськогосподарських угідь можливе на основі комплексної оцінки забруднення, локалізації територій екологічної небезпеки, проведення компенсаційних стабілізаційних та ремедиаційних заходів.

УМОВИ, ОБ'ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ. У польових експериментах на стаціонарах рекультивації ДДАУ біля м. Керч, Орджонікідзе, Павлоград, Вільногірськ була надана агрокліматична, еколого-ценотична характеристика умов досліджень і проведена еколого-геохімічна оцінка основних технологій рекультивації порушених земель. При грунтово-екологічній оцінці рекультивованих земель використовували метод диференційного пробного обліку і метод біолого-екологічного профілювання.

В умовах Керченського стаціонару рекультивації порушених земель дослідженнями фізико-хімічних і геохімічних властивостей субстратів ґрунту і гірських порід передбачалась оцінка наступних варіантів: ТСГП (технічна суміш гірських порід); ТС+30 см НШЧ (насипний шар чорнозему); ТС+50 см НШЧ; ТС+80 см НШЧ; ЛС (лесоподібний суглинок); ЛС+50 см НШЧ; ПГВ (піщано-глинисті відклади); ПГВ+50 см НШЧ; рудовміщуюча порода; шлам залізної руди. У варіантах з нанесенням на технічну суміш гірських порід 30, 50 і 80 см чорнозему південного вивчали макро- і мікроелементний склад, а також концентрацію важких металів у вегетативній та генеративній масі культур. Облікова площа ділянок у польових дослідах складала 30-50 м², у мілкоділяночних дослідах - 10 м². Повторення дослідів чотириразове. Відстань між повтореннями складала 1 м, між варіантами - 2 м. Досліди проводили без внесення мінеральних і органічних добрив.

В умовах Орджонікідзевського стаціонару рекультивації дослідженнями фізико-хімічних і геохімічних властивостей субстратів ґрунту і гірських порід (у вегетаційних та польових дослідах) передбачалась оцінка наступних варіантів: фітомеліоровані розкривні гірські породи; насипний шар чорнозему (НШЧ). Для досліджень у багаторічному вегетаційному досліді були використані ґрунтова маса чорнозему південного (ЧП) та субстрати різновікових розкривних гірських порід Запорізького кар'єру Нікопольського марганцеворудного басейну (МРБ).

Гірські породи представлені лесоподібними і червоно-бурими суглинками (ЛС, ЧБС), червоно-бурими, сіро-зеленими мергелистими, темно-сірими, зеленими безкарбонатними глинами (ЧБГ, СЗГ, ТСГ, ЗБГ) та давньоалювіальним піском (ДАП). На початку досліду виконане стартове внесення фосфорнокалійних добрив, гною, обробка насіння люцерни препаратом ризоторфіну, як окремо, так і на фоні стартового внесення добрив. Досліди були закладені за методикою З.І.Журбицького у капронових вегетаційних посудинах з піддоном, вміщуючих 5 кг абсолютно сухого ґрунту та порід. Повторення дослідів трикратне. Вологість у посудинах підтримували в межах 60-80% ГПВ. Вони знаходились у природних умовах під відкритим небом. Чергування культур у досліді було наступним: перші два роки - люцерна, потім - «пар», ячмінь, горох і ячмінь (як проміжна культура), кукурудза. У багаторічних польових дослідах вивчався вплив різних заходів підвищення продуктивності рекультивованих земель (парування, фітомеліорація, обробка насіння сільськогосподарських культур бактеріальними добривами), варіанти яких сформовані насипним шаром чорнозему південного, лесоподібними суглинками, червоно-бурими та сіро-зеленими глинами. Вивчення ефективності варіантів штучних ґрунтів та заходів фітомеліорації проведено у ланках багаторічних фітомеліоративних сівозмін (фмс). Площа окремого досліду на кожній гірській породі була 1 га, а площа експериментальних ділянок - 400 м². Проведена оцінка достовірності різниць у накопиченні гумусу, потенційній азотфіксації, потенційній буферній ємності відносно фосфору у двох контрастних багаторічних дослідах з однією і двома фітомеліоративними сівозмінами.

Особливості вирощування лікарських культур на ділянках рекультивації досліджували на насипному шарі чорнозему південного (ЧП) потужністю 30 см і лесоподібному суглинку. Площа облікової ділянки 3 м², повторення дослідів 4-разове.

В умовах Павлоградського стаціонару схема рекультивації порушених земель складалась з декількох варіантів (без та з екрануючим шаром лесоподібного суглинку): шахтна порода (ШП) + 30 см насипного шару чорнозему (30НШЧ); ШП + 50НШЧ; ШП + 70НШЧ; ШП + 50 см лесоподібного суглинку (50ЛС) + 30НШЧ; ШП + 50ЛС + 50НШЧ; ШП + 50ЛС + 70НШЧ; ШП + 70 см лучно-чорноземного ґрунту (ЛЧГ).

Для вивчення реакції рослин на обробку насіння озимої пшениці біопрепаратами, з метою збільшення асоціативної азотфиксації в ризосфері і підвищення імунітету до збудників кореневих хвороб (Paenibacillus polymyxa) провели дворічні (у 1995-1996 та 1998-1999 роках) виробничі польові досліди на стаціонарі з рекультивації земель у м.Орджонікідзе. Загальна площа ділянок була 0,5 га. Повторюваність - трикратна. Облік був зроблений за даними відбору снопів пшениці на ділянках площею 1 м². У вегетаційних дослідах, розпочатих у літній теплиці наприкінці квітня 1996 року, вивчали перспективи мобілізації рухомих форм фосфору за допомогою їнокуляції гірської породи культурою везикуло-арбускулярної (ВА) мікоризи. Перший дослід тривав сім тижнів, другий - три тижні. Рослини сої сорту Кріпиш (по три на посудину) вирощували в посудинах ємністю 500 см³. Повторення дослідів - трикратне. Коренево-субстратну суміш (КСС) та препарати ВАМ Glomus mosscae (виробнича форма та ізоляти) отримали з Кримського філіалу Інституту сільськогосподарської мікробіології. Ендофіти вносили у вигляді субстрато-кореневої суміші (КСС) по 0,5 г на посудину.

У польових дослідах на Павлоградському стаціонарі рекультивації вивчали вплив обробки насіння двома штамами ендомікоризи на врожайність озимої пшениці Альбатрос одеський. Площа ділянки - 40 м², повторення - 3-разова. До схеми досліду було включено усі шість вищеописаних варіантів рекультивації. Досліджувані штами (Glomus fasciculatus шт. Lee та Glomus fasciculatus шт. Новозеландський) були отримані також з Кримського філіалу Інституту сільськогосподарської мікробіології УААН.

Додатково на Камиш-Бурунському та Вільногірському стаціонарах рекультивації земель були закладені багатошарові рекультиваційні едафотопи у вигляді блоків-дільниць. Створюючи рекультиваційні профілі з різною потужністю та послідовністю нанесення ґрунтового та підстилаючих гірських порід, уявлялось можливим виконання штучного регулювання водного, сольового та поживного режимів. Закладка першої групи варіантів мала за мету перевірку варіантів рекультивованих земель, придатних для вирощування усіх сільськогосподарських культур. Друга група блоків включала варіанти рекультивованих земель, які створювались з урахуванням можливості вторинної переробки хвостів у разі відкриття поверхні хвостосховища.

Дослідження техногенного забруднення ґрунтів важкими металами проводились на території промислових зон Дніпропетровської області, що зазнали негативного впливу від дії гірничо-металургійних комплексів (ГМК). Після визначення рівня техногенного навантаження ґрунтів важкими металами провели низку модельних лабораторних, вегетаційних та мікропольових дослідів. Загальна схема проведення досліджень передбачала: визначення розмірів забруднення, характеристик забруднювачів (оцінку їх рухомості і токсичності), порівняння результатів з ґрунтово-кліматичними умовами районів досліджень та розробку рекомендацій щодо обмеження або пом'якшення наслідків техногенного забруднення ґрунтів. У Кривбасі (на відміну від методик з точковим джерелом забруднення) проби ґрунтів відбирались з урахуванням контурів кар'єрних виробок за румбами поширення вітрів. Зокрема, навкруги кар'єру ПівденГЗК проби ґрунту відбирали буром на відстанях 1,0; 3,0; 5,0; 10 км від джерела забруднення. На контрольних і дослідних ділянках характеристика забруднення грунтів проводилася за методикою ЦИНАО в одиницях ГДК (або порівняно з фоном), за ГОСТ 17.4.3.06-86. Відбір проб грунту навкруги Богданівської фабрики агломерації марганцевої руди в м. Орджонікідзе проводили в шарах 0-10 та 10-20 см на відстані 0,1; 0,5 та 1,5-3,0 км.

Вегетаційні досліди з вивчення фітотоксичності важких металів були виконані на різних видах рослин за методикою З.І.Журбицького (1968). Для порівняльної оцінки стійкості рослин до важких металів показники біомаси проростків та коріння використовували для біоіндикації рівня забруднення ґрунту токсичними елементами. Для визначення детоксикаційного ефекту різних субстратів (пісок, пісок/глина) як тест - об'єкт були використані ячмінь та соя. Негативний вплив важких металів вивчали і в умовах мікропольових дослідів в навчгоспі «Самарський» ДДАУ. Для вивчення впливу меліорантів - сорбентів на рівень фітотоксичності техногенних субстратів використана мінеральна сировина: цеоліт - з Сокірницького родовища на Львівщині, сапоніт - з Ташковського родовища на Хмельниччині, бентоніт та палигорскіт - з Черкаського родовища, глауконіт - з Карачиєвського родовища, для чого провели досліди з соєю та ячменем. Аналіз фізико-хімічного складу та біологічних властивостей гірських порід, ґрунтів і рослин здійснювали в лабораторії екотоксикології НДІ Агроекології ДДАУ за прийнятими методами (потенціометричними, атомно-абсорбійної спектрофотометрії, газохроматографічними, ензиматичними та аналітичними). З їхньою допомогою визначали вміст аніонів (Na, Mg, Ca, SO₄, Cl, HCO_3, %), концентрацію (мг/кг) мікроелементів і важких металів (Cu, Zn, Mn, Co, Ni, Cd, Pb), вмісту гумусу, елементів мінерального живлення, активність ґрунтових ферментів. Статистичний аналіз вірогідності одержаних результатів проводили за допомогою стандартних методик та програм (пакет “Статистика”).

ПРОГНОЗНА ОЦІНКА ЕКОЛОГО - ГІДРОГЕОЛОГІЧНИХ УМОВ РЕКУЛЬТИВОВАНИХ ЗЕМЕЛЬ. Наведено результати дослідження водно-фізичних властивостей розкривних гірських порід і насипного ґрунту, виконано прогнозні розрахунки рівня ґрунтових вод в рекультивованих відвалах. Для агроекологічної оцінки порушених земель у Нікопольському марганцеворудному басейні та Керченському залізорудному родовищі аналізувались показники гранулометричного складу (зокрема вмісту мулу та фізичної глини), максимальної гігроскопічності, вмісту глинистих мінералів субстратів. Установлено, що переважаючими мінералами у мулистій фракції є гідрослюда, монтмориллоніт та каолініт. Аналіз отриманих дифрактограм показав, що, на відміну від каолініту, гідрослюда та монтморилоніт у більшості зразків гірських порід знаходяться у вигляді змішаношарових утворень. Високий рівень ємності поглинання, монтморилоніту та гідрослюди у сіро-зеленій, зеленій безкарбонатній, червоно-бурій, темно-сірій глині і рудовмісній породі свідчить про доцільність їх використання як водотривів при створенні штучного профілю рекультиваційного шару. Результати розрахунків часу формування вологозапасу для умов південного (сухого) і північного Степу України у модельних дослідах з штучним водотривом наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Розрахункові параметри часу формування вологозапасу у варіантах рекультивації з штучним глинистим водотривом

Примітки: ЛС- лесоподібний суглинок; НШЧ- насипний шар чорнозему; П - пісок; t - тривалість часу формування вологозапасу, кількість років

У розрахунках час формування вологозапасу позначали як ?h:

, м/рік, (1)

де, е - інфільтраційне живлення у природних умовах; t - час, діб; м - коефіцієнт нестачі насичення ґрунту у зоні аерації. Наведені розрахункові дані зроблені для модельних дослідів за умов відсутності бокового розтікання. Ефективність використання геологічної сировини у якості розділяючого шару з низьким рівнем проникнення (або штучного водотриву) залежить від її фізичних та фізико-хімічних властивостей та конкретних геологічних умов розробок корисних копалин. Дослідне обґрунтування зрошення виконано для відвалу, що розташований на території рекультивованого Запорізького кар'єру Нікопольського МРБ. Територія відвалу була засіяна люцерною. Винесені на денну поверхню техногенні субстрати були представлені технічною сумішшю розкривних гірських порід з різним ступенем переважання лесоподібних, червоно-бурих суглинків та глин. Норма зрошення складала 400-500 м³/га. Динаміка рівня ґрунтових вод для рекультивованого відвалу на Запорізькому кар'єрі без дренажу зі зрошенням була кількісно охарактеризована за гідродинамічною схемою «прямокутна ділянка зрошення у необмеженому пласті». За значенням рН усі аналізовані проби води (озеро «Чортомлик», кар'єрне озеро, ґрунтові води, свердловина) оцінюються як нейтральні та слаболужні. Оцінка придатності води з потенційних джерел зрошення за коефіцієнтом SAR свідчить, що більшість аналізованих проб відноситься до першого типу з визначенням «небезпека осолонцювання невисока», тобто SAR=0-10. Для кількісної оцінки підйому рівня ґрунтових вод на рекультивованому відвалі зі зрошенням на фоні горизонтального дренажу використано рішення за схемою: прямокутна ділянка інфільтрації у пласті - полосі з межами I-роду. Розрахунок виконаний терміном на 1 та 10 років. Установлено, що за 1 рік підйом на фоні дренажу буде складати 0,05 м, а за 10 років (час стабілізації рівня ґрунтових вод) - 0,2 м.

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОФІЛЬНОЇ МІГРАЦІЇ ВОДОРОЗЧИННИХ СОЛЕЙ ЗА ВАРІАНТАМИ РЕКУЛЬТИВОВАНИХ ЗЕМЕЛЬ. Порівняльний аналіз вертикального розподілу солей у спланованих відвалах Орджонікідзевського стаціонару засвідчив, що засолення метрового шару профілів фітомеліорованих гірських порід знаходиться в межах 0,05 - 0,35 %. Оцінка даних профільного розподілу солей у розкривних гірських породах свідчить, що процеси засолення на площі Орджонікідзевського стаціонару не є лімітуючими для сільськогосподарських культур. Винятком є територія «луки», тобто експериментального майданчика, сформованого на відвалі з переважанням червоно-бурих засолених глин, що знаходиться понад 30 років під природним заростанням (рис. 1).

Проведена агроекологічна оцінка негативного впливу засолених червоно-бурих глин на верхні шари фітомеліорованої технічної суміші гірських порід. Певний ризик засолення насипного шару ґрунту на контакті з відвалом технічної суміші гірських порід (ТСГП) у Керченському залізорудному родовищі (ЗРР) пов'язаний з великим рівнем умісту сухого залишку у водній витяжці з ТСГП (0,3-1,7%) та низьким річним коефіцієнтом зволоження - 0,51 (річна сума опадів удвічі менше випаровуваності). Для того, щоб оцінити внесок фізичного випаровування та транспірації вологи сільськогосподарськими культурами для варіанту рекультивації ТСГП + НШЧ50 через чотири роки провели повторний аналіз розподілу солей та рН уздовж модельного профілю до глибини 50см (рис. 2).

Порівняння показників умісту сухого залишку у водній витяжці з насипного шару ґрунту свідчить, що після чотирирічного вирощування сільськогосподарських культур зерно-кормової сівозміни було зафіксовано збільшення мінералізації шарів ґрунту на 0,009 - 0,048 %. Виявлена тенденція засолення рекультиваційного шару ґрунтової маси свідчить про необхідність моделювання сприятливого еколого-меліоративного режиму сільськогосподарського освоєння поверхні відвалів. Дослідженнями у Західному Донбасі одержана комплексна геохімічна оцінка процесів експлуатації рекультивованих земель. Отримані у 1987 році (через 10 років експлуатації рекультивованих земель) дані підтверджують, що відсутність захисного екрану із лесоподібного суглинку призводить до значного підкислення ґрунтового розчину прошарків ґрунту внаслідок швидкого протікання процесу хімічного вивітрювання гірських порід. Уведення 50 см прошарку лесоподібного суглинку у варіанті ШП+НШЧ50 призводило до значного стримування процесу хімічного вивітрювання гірських порід шахтного відвалу (рис. 3). Отже, стабілізація рН у варіанті ШП+ЛС50+НШЧ50 можлива у межах 7,7-7,9. Дані хімічного аналізу щодо розподілу солей уздовж модельних профілів рекультивації з прошарком лесоподібного суглинку свідчать про значне стримування темпу засолення у варіанті ШП+ЛС50 + НШЧ70 (рис.4). Оцінка якісного та кількісного складу аніонів та катіонів досліджених зразків водної витяжки шахтних порід (ШП) засвідчила, що основна загроза для довкілля від відвалів у Західному Донбасі пов'язана з поступовим підкисленням і засоленням штучного ґрунтового профілю рекультивованих земель хлоридами і сульфатами натрію та магнію.

Отримані за 1995 рік дані (20 річний період рекультивації) ще раз підтвердили, що екран лесоподібного суглинку значно стримує засолення штучного профілю (лінії 4, 5 та 6 на рис. 5). Причина надходження легкорозчинних солей з шахтних порід у підорні та орні горизонти штучних ґрунтів рекультиваційного шару, на нашу думку, пов'язана з дифузією внаслідок переносу аніонів та катіонів з більш засолених шарів ґрунту до менш засолених. Цілком можливий і ефект підтягування солей, які знаходяться у контакті із відвалом, з капілярної кайми ґрунтових вод. Характерно, що у чорноземі, який було відсипано на шахтну породу, виявляється певна закономірність росту вмісту розчинних солей у прошарках, що наближаються до шахтної породи (лінії 1, 2 та 3 на рис.5).

Отримані експериментальні дані дозволили побудувати математичну модель узагальненої залежності вмісту розчинних солей у шарі чорнозему різної висоти, насипаному поверх шахтної породи (рис. 6). Суцільною лінією представлений тренд у вигляді експоненти; пунктирною - можлива реальна залежність.

За вищезгаданих умов диференційне рівняння масопереносу забруднювачів виглядає як рівняння дифузії речовини скрізь одиницю площі (перший закон Фіка):

, мг/см², (2)

де C - масова концентрація потоку речовини, що переноситься, крізь обрану площину, мг/м³; x - поточна координата у напрямку руху потоку, м; D - коефіцієнт дифузії, м²/с. Відповідно до закону дифузії, солі дрейфують в область з меншою їх концентрацією. Для сталого режиму в ґрунті цей процес можна записати у вигляді рівняння, в якому відсутній фактор часу, а саме:

, (3)

де C - концентрація мігруючої речовини, мг/м³ або %; l - товщина шару насипного ґрунту), см; k - коефіцієнт фільтрації розчинених солей у ґрунті, м-¹. Аналітичне рішення рівняння (3) з початковими умовами , для (концентрація солі на границі ґрунту з шахтною породою) має загальний вигляд

. (4)

Таку залежність можна представити у вигляді, де коефіцієнт k знаходиться у межах 0,05-0,06 м-¹, а величина буде залежати від рівня початкової концентрації солі у гірській породі. Оскільки на характер міграції солей можуть впливати різні фактори, реальна залежність вмісту солей, перш за все, буде описуватися диференціальним рівнянням фільтрації другого порядку. Для практичних умов, на наш погляд, достатньо застосовувати спрощений варіант експонентної залежності, яку можна представити у приблизному нормованому вигляді:

, (5)

де - вміст солі у шарі ґрунту, прилеглому до поверхні шахтного відвалу або на глибині, що обрана за початковий рівень відліку у ґрунті, %. За цією моделлю, згідно з властивостями експоненти, зниження засоленості чорнозему в е раз, тобто у 2,7 рази, буде спостерігатися при товщині його шару 20 см. Практично до нуля концентрація знизиться при товщині шару чорнозему (3-4)1/k, тобто у 3-4 рази більшому, а саме - 60-80 см.

На основі теорії фізико-хімічної гідродинаміки шпаруватих середовищ апробовані математичні моделі солепереносу на рекультивованих шахтних відвалах трьох типів для кількісної оцінки міграції макрокомпонентів у часі та просторі: в умовах без зрошення, попри природного заростання та з систематичним зрошенням. Перша модель відображує міграцію солей на рекультивованому відвалі без зрошення. Наявність транспірації утворює тут випарний режим вологопереносу, негативним наслідком якого є засолення насипного шару ґрунту. Друга модель ураховує природне заростання поверхні рекультивованого відвалу та характеризується накопиченням солей біля підошви глинистого шару. Третя модель відрізняється від попереднього варіанту застосуванням систематичного зрошення слабомінералізованими водами. На шахтних відвалах усіх виділених типів переважає вертикальний солеперенос. Ось чому у запропонованих моделях використовуються одномірні рівняння вертикального солепереносу у вигляді:

, (6)

де D - коефіцієнт гідродисперсії, комплексний узагальнюючий параметр, що ураховує усі фактори розсіювання речовини, супутні з рухом вологи, м³/добу; C - вміст розчинних солей, % сухого ґрунту; V - швидкість вертикального вологопереносу, м/добу; x - просторова координата, м; t - часова координата;m - об'ємна волога, долі одиниці.

Усі варіанти вирішуються із граничною умовою III-го рода Данквертса-Бреннера на поверхні землі першого роду (на границі зон аерації і повного водонасичення). Міграційні параметри визначались з аналітичних залежностей. Вирішення прогнозних задач щодо кількісної оцінки міграції солей на різні терміни виконувалось з використанням методу прогонки. Оцінка процесу вертикального вологопереносу за першою моделлю виконувалось методом прогонки з використанням середовища MathCAD 2001. Для цього рівняння (6) було представлено у кінцево-різницевій формі. Як стартові умови взяті значення засоленості на досліджуваних глибинах штучного профілю рекультивації за 1987 рік. Крайові умови: на верхній межі була задана крайова умова 3-го роду Данквертса - Бреннера:

. (7)

На нижній межі була задана крайова умова 1 роду (C_г = const). Перевірка цієї моделі проводилась на основі експериментальних даних, отриманих в умовах Павлоградського стаціонару рекультивації на протязі 21 року (у 1987, 1995, 2003 і 2008 р.р..) Результати прогнозних розрахунків з перекриттям шахтної породи 50см лесоподібного суглинку (ЛС50) та 50 см насипного шару чорнозему (НШЧ50) наведено на рис. 7.

Наведені результати добре узгоджуються з даними експериментальних спостережень. Отже, прогнозними розрахунками доведено, що процес засолення рекультивованих земель без зрошення буде поступово розвиватись.

ЕКОТОКСИКОЛОГІЧНА ОЦІНКА ВАРІАНТІВ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОЇ РЕКУЛЬТИВАЦІЇ ПОРУШЕНИХ ЗЕМЕЛЬ. Для підвищення ефективності прийняття рішень з рекультивації порушених земель провели оцінку буферної ємності гірських порід до важких металів, умісту та виносу елементів мінерального живлення в лабораторних, вегетаційних та польових дослідах. Якщо порівнювати між собою чорнозем південний та розкривні породи Нікопольського марганцеворудного басейну, то прояв буферної ємності щодо важких металів більш значний для ґрунту, трохи менший для глин та суглинків і ще менший для давньоалювіального піску, причому оцінка буферної ємності чорнозему південного та порід до важких металів дозволяє розподілити вивчені елементи у такий ряд: Pb>Cu>Zn>Mn. Зафіксовано низьку забезпеченість мікроелементами для давньоалювіального піску та підвищену концентрацію марганцю - у темно-сірій глині (табл.2).

Таблиця 2

Уміст мікроелементів в фітомеліорованих субстратах, мг/кг (чисельник - ААБ рН 4,8, знаменник - 1н HCl)

Відкритий факт підвищеної кількості марганцю в темно-сірій глині підтвердився після аналізу надземної маси гороху та кукурудзи в багаторічному вегетаційному досліді (рис.8). Уміст марганцю у вегетативній масі гороху та кукурудзи, вирощених на темно-сірій глині - більше ніж втричі ніж це дозволяють норми годівлі сільськогосподарських тварин. У зв'язку з цим даний субстрат не може бути рекомендованим для вирощування культур в умовах сільськогосподарського виробництва без тривалого моніторингу.

Аналіз вмісту доступного заліза у техногенних субстратах Керченського ЗРР виявив його найбільше значення у шламі залізної руди. Виходячи із порівняння отриманих результатів досліджень хімічного аналізу зразків надземної маси сільськогосподарських культур за варіантами на Камиш-Бурунському стаціонарі рекультивації, встановлено, що мікроелементи у найбільшому ступені поглинаються люцерною. На другому і третьому місцях - горох і пшениця.

Вивчення розподілу важких металів у неперекритих поверхневих шарах шахтних відвалів Західного Донбасу засвідчило шкідливий вплив розвитку процесу хімічного вивітрювання. Нанесення 70 см шару чорноземного ґрунту призводить до відповідних змін у розподілі важких металів (рис.9). Характер профільного розподілу важких металів засвідчив існування декількох геохімічних бар'єрів (механічного, сорбційного, окисно-відновлювального, лужного). Встановлено, що застосування трьохшарової моделі рекультивації ШП+ЛС50+НШЧ70 значно стримує вертикальну міграцію важких металів у системі порода - ґрунт - рослина (рис.10 ).

ПАРАМЕТРИ ПОЖИВНИХ РЕЖИМІВ ФІТОМЕЛІОРОВАНИХ ГІРСЬКИХ ПОРІД. Для розкривних гірських порід Нікопольського марганцеворудного басейну (МРБ) та Керченського залізорудного родовища (ЗРР) досліджено зміни фізико-хімічних властивостей гірських порід під впливом рекультиваційних заходів. У варіантах сільськогосподарської рекультивації вони використовуються або як підстилаючи породи, або проходять стадію початкового ґрунтоутворення у процесі тривалої фітомеліорації. У багаторічних штучних ґрунтах на ділянках рекультивації більш перспективними, родючими і ефективними виявились ті гірські породи, які мають кращі фізичні, мінералогічні та агрохімічні характеристики, і є екологічно безпечними для етапу біологічного освоєння поверхні відвалу.