Теоретическое обоснование технологии биологической рекультивации нарушенных земель урбанизированных территорий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

теоретическое обоснование технологии биологической рекультивации нарушенных земель урбанизированных территорий

И.В. Гурина, А.И. Щиренко, Ю.С. Рогозина Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А.К. Кортунова Донского государственного аграрного университета

Аннотация

Цель исследований состояла в теоретическом обосновании технологии биологической рекультивации нарушенных земель урбанизированных территорий. Методологической основой исследований являлся ландшафтный (геосистемный) подход. Необходимость дальнейшей разработки теоретических основ обосновывается не только большими объемами накопленной фактической информации, но и возрастающими площадями нарушенных территорий, нуждающихся в проведении рекультивации. Практическая значимость заключается в ликвидации отрицательных последствий антропогенного воздействия на ландшафты, оздоровлении среды обитания человека и вовлечении нарушенных земель в полезное использование. С целью оценки степени трансформации территории в результате антропогенного воздействия был выполнен компонентный анализ геосистемы «отработанный накопитель промышленных отходов».

В результате было установлено, что по степени и характеру изменения ландшафтообразующих компонентов рассматриваемую геосистему можно отнести к сильно измененным (нарушенным). В связи с этим рекультивация должна завершаться биологическим этапом, направленным на формирование геосистемы в целом. В результате на восстанавливаемой территории должен быть создан культурный ландшафт, который будет обеспечивать максимум биологической продуктивности при минимуме энергетических затрат, обладать необходимой устойчивостью, самовосстановительным потенциалом и большим биоразнообразием. Достижение этого возможно при комплексном применении различных видов мелиораций. Предложена классификация мелиораций, используемых на биологическом этапе рекультивации. Установлено, что применение различных видов мелиораций, реализуемых проведением мелиоративных мероприятий, которые, в свою очередь, выполняются соответствующими способами и приемами, обеспечивает формирование культурного ландшафта на рекультивируемой территории. Разработаны и теоретически обоснованы этапы создания искусственного фитоценоза на нарушенных землях урбанизированных территорий.

Ключевые слова: биологическая рекультивация, нарушенные земли, геосистема, золоотвал, шламонакопитель, мелиорация, фитоценоз.

Abstract

The aim of this study is the theoretical provement of biological recultivation of disturbed soils in urbanized areas. Methodological basis of research was landscape (geosystem) approach. The need to further development of theoretical foundations is justified not only by large amounts of accumulated actual information, but also by growing areas of disturbed lands that need reclamation. The practical significance lies in the elimination of negative consequences of anthropogenic impact on landscapes, the improvement of the human environment and the involvement of disturbed lands into beneficial use.

The component analysis of geosystem “waste storage of industrial wastes” was performed to assess the degree of transformation of the territory as the result of anthropogenic impact. As the result, it was found that according to degree and nature of changes of landscape forming components, the given geosystem can be considered as highly modified (disturbed). In this regard, recultivation should culminate in a biological stage, aimed at the development of geosystem as a whole. As a result, a cultural landscape that will provide the maximum biological efficiency with minimum energy costs and will have the necessary stability, self regeneration potential and great biodiversity must be created in the restored area. This achievement is possible at complex use of different types of land reclamation.

The classification of land reclamation used at the biological stage of recultivation is offered. It was found that the use of various types of land reclamation implemented by carrying out reclamation activities, which in turn, are fulfilled by the appropriate methods and techniques, provides the formation of the cultural landscape on the recultivated territory. The stages of artificial phytocenosis creation on disturbed lands in urbanized areas are developed and theoretically proved.

Key words: biological recultivation, disturbed lands, geosystems, ash dump, slurry tank, reclamation, phytocenosis.

Развитие научно-технического прогресса сопровождалось значительными трансформациями природных ландшафтов. Бурный рост производства, резкое увеличение численности городского населения привели к формированию урбанизированных территорий, занятых производственными, транспортными и другими инженерными сооружениями. В результате функционирования энергетических и промышленных объектов образовались золоотвалы, шламонакопители и другие виды нарушенных земель, которые оказывают комплексное негативное воздействие на окружающую природную среду и население. Для ускорения процесса восстановления нарушенных объектов необходимо проведение рекультивации, что будет способствовать улучшению условий в районах их размещения.

В соответствии с ГОСТ 17.5.1.01-83 «рекультивация земель - это комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и народнохозяйственной ценности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды в соответствии с интересами общества» [1]. Работы по рекультивации нарушенных земель выполняются в два этапа: технический и биологический.

Необходимость дальнейшей разработки теоретических основ рекультивации в целом и ее биологического этапа в частности обосновывается не только большими объемами накопленной фактической информации, но и возрастающими с каждым годом площадями нарушенных территорий, нуждающихся в проведении работ по их реабилитации. Практическая значимость такой деятельности заключается в ликвидации отрицательных последствий антропогенного воздействия на природные ландшафты, оздоровлении среды обитания человека и вовлечении нарушенных земель в полезное использование.

Материалы и методы. Теоретические исследования проводились с использованием методов системного анализа, методологической основой исследований являлся ландшафтный (геосистемный) подход [2-5].

Результаты и обсуждение. В соответствии с ландшафтным (геосистемным) подходом объектом рекультивации является ландшафт, нарушенный в результате жизнедеятельности человеческого общества. Отсюда следует, что цель рекультивации состоит в формировании культурного ландшафта (геосистемы) на месте нарушенного [6-8].

Нарушенные ландшафты представляют собой особые геосистемы, отличительной особенностью которых является наличие, помимо природных, техногенных компонентов. Природные и техногенные компоненты нарушенного ландшафта, между которыми происходит обмен веществами и энергией, образуют целостную сложную техноприродную систему.

Особой сложностью взаимодействий природных и техногенных составляющих характеризуются накопители отходов промышленного производства, и в частности золоотвалы и шламохранилища. Эти экстрактивные ландшафты формируются на месте ранее существовавших естественных ландшафтов, не имеют природных аналогов и находятся на начальных этапах первичного сингенеза [2, 9]. По степени хозяйственной ценности золоотвалы и шламонакопители являются акультурными промышленными комплексами в ранге ландшафтных урочищ [3].

Как известно, в формировании каждого ландшафта принимают участие микроклимат, рельеф, почва, подземные и поверхностные воды, растительность и животный мир [4]. В соответствии с принципом равной важности ландшафтных компонентов, сформулированным В. Н. Солнцевым [5], все они равноценны и принимают участие в формировании ландшафта в целом как природно-территориального комплекса, определяют его внутреннюю структуру и развитие. С целью оценки степени их трансформации в результате антропогенного воздействия был выполнен компонентный анализ геосистемы «отработанный накопитель промышленных отходов» (таблица 1).

Таблица 1 - Компонентный анализ геосистемы «отработанный накопитель промышленных отходов»

Анализ представленной в таблице 1 информации позволил отметить, что в результате размещения техногенных объектов в ландшафтах видоизменяются подземные воды (их состав и уровень), рельеф и микроклимат. В рассматриваемых геосистемах полностью уничтожаются почвы, растительный покров и животный мир, следовательно, по степени и характеру изменения ландшафтообразующих компонентов их можно отнести к сильно измененным (нарушенным). В связи с этим рекультивация таких объектов должна обязательно завершаться проведением биологического этапа, направленного не только на восстановление отдельных компонентов, но и на формирование всей геосистемы в целом. В конечном итоге в результате проведения рекультивационных работ на нарушенной территории должен быть создан культурный ландшафт, структура которого оптимизирована на научной основе [7].

Разработка критериев оптимизации проводится на основе следующих положений [3, 7]:

- объектом оптимизации должна быть конкретная геосистема (ландшафт), что следует из ее целостности;

- следует учитывать разную степень устойчивости морфологических элементов ландшафта к внешним воздействиям (менее устойчива фация);

- открытость ландшафтов способствует распространению локальных воздействий далеко за пределы источника этого воздействия путем циркуляции воздушных масс, потоков растворов и т. п.;

- необходимо оценивать буферность геосистемы, поскольку локальные воздействия обладают кумулятивным эффектом, что может привести к потере устойчивости геосистемы и ее необратимой трансформации.

Таким образом, создаваемые при рекультивации ландшафты должны обеспечивать максимум биологической продуктивности при минимуме энергетических затрат, обладать необходимой устойчивостью, самовосстановительным потенциалом и большим биоразнообразием [7].

Достижение поставленных целей возможно при комплексном применении различных видов мелиораций на техническом и биологическом этапах рекультивации. При этом мелиоративные мероприятия являются методами, обеспечивающими проведение рекультивации нарушенных геосистем.

При восстановлении нарушенных ландшафтов ведущая роль принадлежит растительности. Известно, что по степени модификации растительность является вторичным компонентом ландшафта, который хотя и быстро нарушается, но может восстанавливаться в течение короткого периода времени [3, 7]. Растительность служит естественным регулятором экологических процессов, прежде всего таких, как влагооборот и почвообразование, геохимических процессов. Развитый растительный покров, способный к высокой интенсивности фотосинтеза, является первейшим показателем оптимальности и устойчивости ландшафта [10, 11].

В связи с этим растительность следует рассматривать как главный компонент, с помощью которого можно выполнять преобразование ландшафтов, нарушенных антропогенной деятельностью.

Как отмечает Ю.П. Бяллович, средопреобразующая функция растительности прямо пропорциональна биологической продуктивности и массе живого вещества [12].

Известно, что наиболее существенной интегральной характеристикой устойчивости и экологического состояния ландшафта является его биопродуктивность [13]. Поэтому биологическую рекультивацию нарушенных ландшафтов следует рассматривать как чрезвычайно сложный процесс регенерации биогеоценозов. Создаваемый биогеоценоз - это сложнейшая система, элементами которой являются входящие в него популяции растений, животных и микроорганизмов, а также экотоп. Устойчивость и продуктивность биогеоценоза будут тем выше, чем выше его сложность, т. е. чем большее количество разнообразных организмов будет участвовать в его биотическом круговороте [6]. Процесс восстановления растительности происходит значительно быстрее, если рекультивационные работы направлены на увеличение видового разнообразия [14].

Целесообразность применения травосмесей при биологической рекультивации подтверждена многочисленными исследованиями, проведенными на рекультивируемых территориях [9]. При совместных посевах двух и более видов растений на одной площади более эффективно используется солнечный свет и солнечная энергия, различное строение корневой системы позволяет растениям потреблять влагу и питательные вещества из разных горизонтов, обеспечивается большая биомасса, чем при одновидовых посевах [9].

По мнению С.И. Мироновой [15], устойчивость любого ландшафта зависит в первую очередь от биологического компонента и определяется по состоянию растительности, которая представляет собой устойчивую саморегулирующуюся систему, обладающую реакцией на воздействие извне через сохранение до некоторого предела ненарушенного состояния и способностью к самовосстановлению. Устойчивы те растительные сообщества, которые имеют меньшее варьирование своих параметров во времени, более замкнутые, с более длительным временем существования и с большим количеством в них видов растений.

Биологический этап рекультивации, реализуемый посредством применения химических, водных, лесных и фитомелиораций, завершает формирование культурного ландшафта на восстанавливаемой территории [16]. Мелиоративные мероприятия, проводимые на рекультивируемых ландшафтах, позволяют регулировать развитие фитоценозов, способствуя ускорению желательных процессов и корректировке их развития в нужном направлении. При этом ведущая роль принадлежит лесным и фитомелиорациям, направленным на создание устойчивых многовидовых фитоценозов на нарушенных землях, и в частности на рекультивируемых золоотвалах и шламонакопителях. Закрепление их пылящих поверхностей посевом трав и посадкой древесно-кустарниковой растительности позволяет устранить водную и ветровую эрозию. Кроме того, многовидовые фитоценозы увеличивают накопление органических веществ, активизируют почвообразовательный процесс, создают среду для поселения представителей фауны, улучшают микроклимат и экологические условия рекультивируемой территории. Химические и водные мелиорации позволяют улучшать условия обитания культивируемой растительности, регулировать развитие формирующихся фитоценозов, способствуя ускорению желательных процессов и корректируя их развитие в нужном направлении. Каждый вид мелиорации осуществляется путем проведения мелиоративных мероприятий, которые выполняются соответствующими способами и приемами (рисунок 1).

Фитоценозы нарушенных ландшафтов, создаваемые на биологическом этапе рекультивации посредством использования фитомелиорации, представляют собой сложные системы, в которых происходит взаимодействие многих факторов (климатических, эдафических и др.). В связи с этим формирование искусственных фитоценозов можно рассматривать как ступенчатый процесс с последовательным приближением их к целевому состоянию.

Этапы создания искусственного фитоценоза на нарушенных землях урбанизированных территорий (золоотвалах и шламонакопителях) включают следующее (рисунок 2).

Формирование эдафотопа. Необходимость этого этапа определяется тем, что размещенный отход непригоден для создания устойчивого искусственного фитоценоза.

Рисунок 1 - Классификация мелиораций, используемых на биологическом этапе

Изучение особенностей естественных ненарушенных ландшафтов и выбор перспективных видов растений. Реализуемое на этом этапе обследование прилегающих ненарушенных территорий с сохранившимся естественным растительным покровом позволяет установить виды перспективных растений для последующего использования их в качестве фитомелиорантов при проведении фитомелиорации.

Рисунок 2 - Этапы создания искусственного фитоценоза на нарушенных землях урбанизированных территорий

Разработка моделей многовидовых фитоценозов. На данном этапе выполняется подбор оптимального состава травосмеси и установление оптимального соотношения видов растений-фитомелиорантов в ней.

Апробация моделей многовидовых фитоценозов в лабораторных условиях. Лабораторные опыты позволяют установить возможность произрастания отобранных видов растений-фитомелиорантов в конкретных эдафических условиях рекультивируемого объекта.

Оценка устойчивости и эффективности подобранных многовидовых фитоценозов. На данном этапе выполняется анализ данных, полученных в результате проведения лабораторного опыта в вегетационных сосудах, и выбор видов растений для проведения фитомелиорации на биологическом этапе рекультивации.

Закладка многовидового фитоценоза на рекультивируемом объекте. Для дальнейшей разработки технологии фитомелиорации обязательным этапом является проведение полевых исследований на нарушенном объекте.

Оценка возможности произрастания подобранных культур-фитомелиорантов в условиях естественной влагообеспеченности и минерального питания. Улучшение условий произрастания растений достигается с помощью химических мелиораций, таких как внесение удобрений.

Разработка технологии фитомелиорации при биологической рекультивации нарушенных земель урбанизированных территорий. На основании данных полевых исследований отрабатывается технология фитомелиорации при биологической рекультивации нарушенных земель урбанизированных территорий для конкретной природно-климатической зоны.

Эколого-экономическая оценка технологии фитомелиорации. Оценка эффективности технологии фитомелиорации выполняется для установления экономического, экологического и социального эффектов от оздоровления нарушенной территории.

Внедрение разработанной технологии фитомелиорации.

Мониторинг биологической рекультивации. Оценка результатов внедрения осуществляется посредством проведения мониторинговых исследований состояния созданного фитоценоза, его трансформации с течением времени и других наблюдений за изменениями, происходящими в созданном ландшафте.

Изучение опыта проведения рекультивации позволило отметить необходимость разработки эффективных технологий биологической рекультивации выведенных из эксплуатации золоотвалов и шламонакопителей с использованием методов и способов мелиораций, поскольку саморекультивация таких объектов происходит очень медленными темпами. В связи с этим актуальны исследования, направленные на теоретическое обоснование технологии биологической рекультивации нарушенных земель урбанизированных территорий.

Теоретические исследования базировались на ландшафтном (геосистемном) подходе. В соответствии с ним в результате рекультивации на восстанавливаемой территории должен быть создан культурный ландшафт, который будет обеспечивать максимум биологической продуктивности при минимуме энергетических затрат, обладать необходимой устойчивостью, самовосстановительным потенциалом и большим биоразнообразием. Достижение этого возможно при комплексном применении различных видов мелиораций. Предложена классификация мелиораций, используемых на биологическом этапе рекультивации нарушенных земель. Установлено, что применение различных видов мелиораций, реализуемых проведением мелиоративных мероприятий, которые, в свою очередь, выполняются соответствующими способами и приемами, обеспечивает формирование культурного ландшафта на рекультивируемой территории.

Проведенные исследования завершены разработкой технологий биологической консервации нарушенных земель урбанизированных территорий с использованием фитомелиорации, которые внедрены на первой и второй секциях золоотвала Новочеркасской ГРЭС и на шламонакопителе БОС стерлитамакского ОАО «Каустик», что подтверждается актами внедрения.

Теоретическая схема формирования искусственных фитоценозов представляет собой многоступенчатый процесс, последовательное прохождение всех этапов которого позволяет не только достичь поставленных целей, но и определить состав операций технологии биологической рекультивации. Теоретически обоснованные этапы создания искусственного фитоценоза на нарушенных землях урбанизированных территорий прошли производственную проверку и рекомендуются для широкого использования в практике.

геосистема отходы фитомелиорация консервация

Список использованных источников

1. ГОСТ 17.5.1.01-83. Охрана природы. Рекультивация земель. Термины и определения: издание официальное. - Введ. 1984-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 13 с.

2. Мухина Л.И. Исследование природно-антропогенных геосистем / Л.И. Мухина. - М.: Изд-во РОУ, 1994. - 95 с.

3. Исаченко А.Г. Основы ландшафтоведения и физико-географическое районирование / А.Г. Исаченко. - М.: Высш. шк., 1991. - 366 с.

4. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах / В.Б. Сочава. - Новосибирск: Наука, 1978. - 310 с.

5. Солнцев В.Н. Системная организация ландшафтов / В.Н. Солнцев. - М.: Мысль, 1981. - 239 с.

6. Колесников Б.П. О научных основах биологической рекультивации техногенных ландшафтов / Б.П. Колесников // Проблемы рекультивации земель в СССР. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1974. - С. 12-25.

7. Голованов А.И. Проблемы и методы рекультивации нарушенных земель / А.И. Голованов, Ф.М. Зимин // Мелиорация и водное хозяйство. - 2005. - № 5. - С. 28-32.

8. Анопин В.Н. Адаптивно-ландшафтный подход к рекультивации деградированных урбанизированных территорий Нижнего Поволжья / В.Н. Анопин // Вестник ВолГУ. Сер. 11. - 2011. - № 2(2). - С. 31-39.

9. Гурина И.В. Биологическая рекультивация золоотвала Новочеркасской ГРЭС: монография / И.В. Гурина. - Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ, 2012. - 240 с.

10. Bradshaw A.D. The biology of land restoration / A. D. Bradshaw // Applied Population Biology (Monographiae Biologicae). - 1992. - Vol. 67. - P. 25-44.

11. Jordan W.R. Ecological restoration as a strategy for conserving biological diversity / W.R. Jordan, R.L. Peters, E.B. Allen // Environmental Management. - 1988. - Vol. 12, iss. 1. - P. 55-72.

12. Бяллович Ю.П. О некоторых биогеоценотических основах общей теории фитомелиорации / Ю.П. Бяллович // Теоретические проблемы фитоценологии и биогеоценологии. - М.: Наука, 1970. - С. 5-16.

13. Мажайский Ю.А. Экспериментальная оценка возможностей комплексных мелиораций как средства снижения экологических эффектов техногенного загрязнения / Ю.А. Мажайский, Ю.П. Пожогин, С.А. Тобратов // Наукоемкие технологии в мелиорации (Костяковские чтения): материалы междунар. конф., 30 марта 2005 г. - М.: ВНИИА, 2005. - С. 312-317.

14. Михайлова С.М. Адаптационные особенности травянистых растений при их вторичной интродукции в условиях золоотвала / С.М. Михайлова // Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных земель: материалы Междунар. науч. конф., г. Екатеринбург, 4-8 июня 2007 г. - Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2007. - С. 523-536.

15. Миронова С.И. О проблемах рекультивации нарушенных земель Якутии / С.И. Миронова // Наука и техника в Якутии. - 2005. - № 2(9). - С. 35-39.

16. Гурина И.В. О применении комплексных мелиораций при биологической рекультивации нарушенных земель / И.В. Гурина // Мелиорация и водное хозяйство. - 2013. - № 3. - С. 27-28.

Размещено на Allbest.ru