Агроекологічні основи відновлення техногенно порушених земель в гірничовидобувних регіонах України

Встановлені параметри поживних режимів фітомеліорованих гірських порід, що забезпечують підвищення буферної та біотичної ємності у процесі формування родючості рекультивованих земель. Розроблена концепція поетапного інтегрального підходу в оцінці екологічного ризику аеротехногенного забруднення сільськогосподарських територій важкими металами. Розкриті особливості прояву буферної ємності чорнозему до важких металів та перспективи використання деяких гірських порід як сорбентів для детоксикації техногенно забруднених ґрунтів.

Ключові слова: агроекосистема, рекультивація, водно-сольові умови, моделювання, прогнозування, техногенне забруднення, важкі метали, методи детоксикації.

Харитонов Н.Н. Агроэкологические основы восстановления техногенно нарушенных земель в горнодобывающих регионах Украины. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук по специальности 03.00.16 - екология. - Днепропетровский государственный аграрный университет. - Днепропетровск, 2009.

В диссертации развиты агроэкологические основы восстановления техногенно нарушенных земель в горнодобывающих регионах Украины. Разработано экогидрогеологическое обоснование формирования и эксплуатации рекультивированных земель. Оно предусматривает экологическую реставрацию нарушенных земель за счет организации стока, отведения атмосферных осадков, обеспечення процесса формирования биогеогенетических горизонтов рекультивированного слоя мощностью 1,0-1,2 м с вовлечениеим наиболее пригодных горных пород и заложением искусственного дренажа. Проведены расчеты динамики уровня грунтовых вод с учетом природного бокового растекания для рекультивированного отвала (без дренажа и на фоне горизонтального дренажа с орошением). Гидрохимический анализ потенциальных источников орошения в горнодобывающих регионах показал, что определенная часть поверхностных и подземных слабоминерализованных вод может быть пригодной для орошения после определения риска осолонцевания почв на фермерских и приусадебных участках. Изучены водно-физические, физико-химические и экологические свойства вскрышных горных пород. Дана комплексная экологическая оценка изменения окислительно-восстановительных условий по профилю рекультивированных отвалов. Проведено моделирование и долгосрочный прогноз изменений водно-солевых условий на разных вариантах рекультивации в профилях рекультивированных шахтных отвалов. На основе теории физико-химической гидродинамики пористых сред апробированы математические модели солепереноса на рекультивированных шахтных отвалах трех типов: в условиях без орошения, под природным заростанием и под. систематичеким орошением. Первая модель отражает миграцию солей на рекультивированном отвале без орошения. Наличие транспирации создает здесь выпарной режим влагопереноса, негативным последствием которого является засоление насыпного слоя почвы. Вторая модель учитывает природное зарастание поверхности рекультивированного отвала и характеризуется накоплением солей около подошвы глинистого слоя. Третья модель отличается от предыдущего варианта применением систематического орошения слабоминерализованными водами.Выявлены субстраты (темно-серая глина, шлам железной и марганцевой руды), где образование токсичных концентраций железа и марганца ограничивает их использование. Характер профильного распределения тяжелых металлов засвидетельствовал существование нескольких геохимических барьеров (механического, сорбционного, окислительно-восстановительного, щелочного). Установлены параметры пищевых режимов фитомелиорированных горных пород, которые обеспечивают повышение буферной и биотической емкости в процессе формирования плодородия рекультивированных земель. Определено, что после пяти лет фитомелиорации горных пород, отличия в гумусном составе субстратов отличались в 4-6 раз меньшим содержанием фульвокислот (в сравнении с почвенной массой зонального чернозема). Концентрация гуминовых кислот в горных породах отличалась от почвенной массы чернозема южного как минимум в 10 раз. Преимущество фульватного гумуса в анализируемых субстратах связано с низким соотношением гуминовых и фульвокислот Сгк/фк = 0,2-0,5, что в 2,5-6 раз меньше по сравнению с черноземом южным. 20-летнее нахождение горных пород под влиянием растений-эдификаторов способстововало повышению количества органического вещества (в 5-8 раз). Разработана концепция поетапного интегрального подхода в оценке экологического риска аэротехногенного загрязнения сельскохозяйственных территорий тяжелыми металлами. Уреазная и фосфотазная активность находятся в негативной зависимости от расстояния от карьера и концентрации меди и свинца. Выявлено, что активность уреазы угнеталась наиболее существенно (почти в 3 раза) вследствии загрязнения почвы под влиянием распространения газопылевого облака. Исследования буферной емкости почв и пород в модельных лабораторных и полевых опытах с разным уровнем содержания элементов-загрязнителей позволили зафиксировать большую степень поглощения почвой таких тяжелых металлов как Cd, Cu, Pb і Zn соответственно. В вегетационных опытах с выращиванием разных (по степени биологического накопления тяжелых металлов) сельскохозяйственных культур на фоне загрязнения субстратов (песок, глина, чернозем) полиэлементной смесью тяжелых металлов в дозе 1 и 5 ПДК наибольшей стойкостью отличались ячмень и кукуруза, наименьшей - соя и амарант.

Поверхностные и подземные воды оказались под негативным влиянием добычи полезных ископаемых в горнодобывающих регионах Приднепровья. В результате уровень минерализации некоторых малых речек составляет 3-5 г/л. Частота засоления проб первого от поверхности водоносного горизонта распределилась на уровне 70% (<3 г/л) и 30% (3-7 г/л)..

SUMMARY

Kharytonov M.M. Agroecological bases of land restoration in the mining regions of Ukraine. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of Doctor of Agricultural Science in Ecology (Speciality 03.00.16-ecology) - Dnipropetrovsk State Agrarian University. - Dnipropetrovsk, 2009.

Agroecological bases of land restoration in the mining regions of Ukraine were developed in the dissertation. The ecohydrogeological background of reclaimed lands forming and exploration was worked out. It foresee an environment restoration of disturbed lands to manage flow down, atmospheric precipitations taking aside, the process of the reclaimed profile biogenetic horizons formation and promotion with total depth 1.0-1.2 m and involvement of more suitable rocks and artificial drainage building. The calculations of the groundwater table dynamics for reclaimed minelands (without and with horizontal drainage for irrigation) were conducted. The hydrochemical analyses of the potential sources of irrigation in the mining regions have approved prospects for some surface and underground waters using after soil alkalinity risk assessment.

The water-physical and physical-chemical properties of taken to earth surface rocks have been studied. The complex assessment of oxidizing-reducing conditions along reclaimed lands has been made. The mathematic modeling and long-term forecast of the water-salination condition changes in the reclaimed lands has been completed. High level of mobile manganese and iron is the limiting factor to use some rock substrata (black-grey clay, iron ore slurry) in land reclamation. Nutrition regimes of the phytomeliorated rocks have been established. It allows conducting the representative assessment of rising buffer and biotic capacity during the process of reclaimed lands fertility. It was established long-term phytomelioration led to oxidizing-reducing capacity growth due to rising humus mobile forms.The conception of step by step integrated approach in the risk assessment of rural areas air technogenic pollution with heavy metals has been completed. The database about chernozem buffer capacity to heavy metals have been made.The prospects to use some rocks as sorbents for detoxication of contaminated with heavy metals soils were studied.

Key words: agroecosystem, land reclamation, water-salts conditions, modeling, forecasts, technogenic pollution, heavy metals, rehabilitation approaches.