Значение биологической рекультивации

КАК ЭТАПА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЗЕМЕЛЬ,

НАРУШЕННЫХ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ

Определяя рекультивацию как комплекс мер по целевому восстановлению земель, все авторы в числе возможных направлений этих работ называют биологическое. Земли могут быть восстановлены как под сельскохозяйственные угодья, так и под лесные насаждения или декоративно-озеленительные комплексы. Целесообразность проведения такого рода работ объясняется тем, что в результате деятельности промышленности на значительных площадях нарушается биогеоценотический покров. Уничтожается не только веками формировавшийся почвенный покров, но и животный мир, и растительность как естественная, так и созданная творческим трудом человека. Под влиянием этого нарушается биологический круговорот вещества и энергии в природе.

Отвод земель для несельскохозяйственных целей приводит к возрастанию непродуктивных территорий. Поэтому особую ценность имеют работы по биологической рекультивации в тех случаях, когда нарушенными оказываются бывшие высокопродуктивные сельскохозяйственные площади.

Наметившаяся тенденция к сокращению площади пашни, приходящейся на душу населения при одновременном увеличении его численности, ставит проблему сохранения и восстановления земель именно для сельскохозяйственных нужд в число первоочередных. Так, в целом по СССР по состоянию на 1975г. площадь пашни была равна 225,5 млн. га, что составляло 0,88га на душу населения. На Украине за период с 1953 по 1973 г. площадь пашни на душу населения сократилась с 0,91 до 0,70 га, а в степных районах республики она равна 0,18–0,34га. В такой индустриально развитой области РСФСР, как Свердловская, в среднем на душу населения приходится всего 0,35 га пашни при ежегодном отводе более 1000 га сельскохозяйственных угодий для несельскохозяйственных нужд, в том числе под отвалы различных отраслей промышленности. В подобных условиях возвращение землям утерянной биологической продуктивности и хозяйственной ценности путем создания сельскохозяйственных угодий на них является важнейшей народнохозяйственной задачей.

Не меньшую значимость имеют и работы, конечная цель которых сводится к выращиванию на землях, нарушенных промышленностью, лесных насаждений.

При окончании работ по формированию поверхности отвалов, располагающихся на землях государственного лесного фонда, в большинстве случаев ставится задача создания новых лесных насаждений. Как правило, основной целью лесной рекультивации в промышленных районах является создание лесов озеленительного назначения для улучшения неблагоприятных условий окружающей среды. И только в более отдаленной перспективе возможен перевод таких насаждений в категорию промышленных.

Работы по биологическому восстановлению земель, расположенных в пределах городской черты, ведутся для создания растительных сообществ декоративного и озеленительного назначений. В этом случае создаются отдельные массивы из древесных, кустарниковых, травянистых и цветочных растений. Композиционное решение их в соответствии с требованиями архитектуры, вписывающейся в данный ландшафт, улучшает эстетический вид местности, способствует оздоровлению окружающей среды, очищению атмосферы от вредных газов, пыли и других нежелательных для человека компонентов. Искусственные растительные сообщества в этих условиях выполняют санитарно-гигиеническую роль.

Выбор того или иного направления биологической рекультивации определяется условиями расположения нарушенных земель, зонально-географическими особенностями районов. На выбор направления биологического восстановления земель значительно влияют также состав и свойства грунтов (субстратов), слагающих отвалы. Принципиальное решение вопроса о возможности биологического восстановления земель может быть получено на основе классификации промышленных отвалов, построенной с учетом происхождения отвалов, их параметров, состава и свойств грунтов (субстратов), их слагающих. Кроме того, классификация промышленных отвалов необходима и при проведении учета площадей, занятых в целом промышленными отвалами, в том числе в связи с проблемой кадастра земель.

5.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТВАЛОВ –

ОСНОВА ПЛАНИРОВАНИЯ РАБОТ ПО БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ

Под влиянием деятельности предприятий черной и цветной металлургии, угольной промышленности, теплоэнергетики и других отраслей возникают различные типы нарушений природного ландшафта. В частности, к ним относятся так называемые промышленные отвалы.

Отвалы как своеобразные структурные элементы современного рельефа промышленных территорий являются составной частью ландшафта, получившего название техногенный. Эти территории, лишенные почв и сомкнутого растительного покрова, зачастую совершенно бесплодные, являются характерной особенностью современного этапа истории человечества, этапа тех-ногенеза. Разработка способов устранения отрицательного влияния промышленных отвалов на прилегающие территории, возвращение землям утраченной биологической продуктивности и хозяйственной ценности, получившая название «рекультивация», по существу, является только составной частью более сложных и разнородных мероприятий различного характера, в том числе собственно фитомелиоративных по формированию оптимизированных культурных и окультуренных ландшафтов на месте бесплодных техногенных геокомплексов, включающих в свой состав и ландшафт промышленных отвалов.

Отвалы отличаются друг от друга по происхождению и многим признакам и свойствам грунтов, их слагающих. Все эти отличия существенно влияют на закономерности формирования на отвалах почвенного и растительного покрова, на выбор возможного направления биологической рекультивации. Данные, позволяющие типизировать отвалы по сходным признакам с выделением из их числа важнейших, являются основой классификации отвалов, используемой впоследствии в работах по их биологической рекультивации.

В отечественной и зарубежной практике известны попытки построения классификаций промышленных отвалов. Так, типизируют отвалы по их конфигурации, выделяя три главных формы – конусы, насыпи и гребни. В основу этой классификации положены отличия отвалов друг от друга по высоте, форме и углу естественного откоса, т. е. по параметрам, определяющим такие показатели слагающих их грунтов, как влажность, а следовательно, и скорость изменения состава грунтов и темпы естественного зарастания отвалов.

Классификация С. Адамовича, И. Грешты, 3. Боярского и других построена на происхождении отвалов. Авторы выделяют отвалы, возникающие при подземной и открытой добыче полезных ископаемых, переработке минерального сырья и т. д., включая в эту классификацию и территории, расположенные в полосе максимального загрязнения промышленными отходами. Имея неоспоримое преимущество перед первой, эта классификация не учитывает такие важные признаки, как возраст, физическое строение и химический состав грунтов, обусловливающие возможность их биологического освоения.

Более полно учтены свойства грунтов в классификации В. В. Тарчевского, в которой типизация отвалов проведена по происхождению, возрасту, форме, высоте, механическому составу, кислотности и возможности утилизации отходов.

Помимо предложенных классификаций С. С. Трофимовым и В. А. Овчинниковым в 1970 г. предложена классификация форм техногенного рельефа с выделением не только положительных, аккумулятивных образований, представленных собственно отвалами, но и денудационных форм в виде выемок, провалов, суффозионных ям и воронок. Комплекс мероприятий по биологическому восстановлению (как и сам подход к решению этой проблемы) таких разнородных форм техногенного рельефа должен быть различным.

Следует отметить также, что при разработке вопросов биологического восстановления земель, нарушенных промышленностью, предложено несколько классификаций грунтов, слагающих отвалы, по степени их пригодности для биологической рекультивации. Как правило, все они региональны, учитывают свойства и показатели пород какого-либо одного месторождения и в связи с этим мало применимы для более общих исследований.

Очевидно, что естественная классификация промышленных отвалов, суммирующая признаки и свойства слагающих грунтов, должна учитывать в первую очередь происхождение отвалов, а также состав и свойства грунтов, от качественных и количественных характеристик показателей которых зависит и выбор способа рекультивации, и закономерности формирования на отвалах почвенного и растительного покровов. Следовательно, при построении классификации в первую очередь необходимо выделить две крупные категории отвалов.

К первой категории А относятся отвалы, сложенные минеральными грунтами. В своем большинстве грунты, слагающие отвалы этой категории, лишены органического вещества и азота или содержат ничтожно малые количества их. Формирование на таких грунтах продуктивного почвенного и растительного покрова происходит крайне медленно. Как правило, появление растений, формирующих простые растительные группировки, начинается с поселения видов сорной флоры, не имеющих хозяйственной ценности.

Вторую, принципиально отличную от первой по происхождению и свойствам грунтов категорию, составляют отвалы, сложенные субстратами, насыщенными органическим веществом или полностью образованные последним. К ним относятся отвалы торфяных месторождений, деревообрабатывающих, целлюлозно-бумажных, лесохимических и других отраслей промышленности. Характеризуясь в целом такими общими свойствами, как насыщенность органическим веществом и недостаток элементов зольного питания, такие отвалы быстро зарастают. Однако как в отечественной, так и в зарубежной литературе почти отсутствуют сведения о проведении биологической рекультивации отвалов этой категории.

Наибольшую трудность при проведении биологической рекультивации представляют отвалы первой (Л) категории. К ним относятся отвалы предприятий, добывающих минеральное сырье (уголь, руды черных и цветных металлов и т. д.) и перерабатывающих его, а также отвалы теплоэнергетики (золошлакоот-валы), промышленности строительных материалов и т. д.

Отвалы, образованные минеральными грунтами, по своему происхождению, характеру грунтов, их слагающих, являются специфическими техногенными образованиями, не имеющими прямых аналогов среди природных систем. В момент образования они лишены даже следов продуктивной органической жизни и диаспор живых организмов. Поэтому их можно отнести к категории первичных экотопов, освоение которых жизнью идет по типу элементарных сингенетических сукцессии, начиная с поселения в верхних слоях субстратов низших организмов.

Из факторов, наиболее влияющих на рост и развитие высших растений, использование которых предусматривается при проведении биологической рекультивации, следует назвать недостаток (или полное отсутствие) органического вещества и азота, а также недостаток элементов зольного питания в доступной для усвоения растениями форме.

Различные виды грунтов, слагающих тело отвалов, и, главным образом, те из них, которые формируют поверхностные слои при валовом способе складирования грунтов в отвалы, как показывают выполненные исследования, содержат различные количества доступных для растений элементов (табл. 5.1). Кроме того, в ряде случаев они могут оказаться токсичными для растений в связи с засолением. Так же мало пригодны для растений по химическим свойствам шламы и флотационные хвосты предприятий черной и цветной металлургии. В их состав входит значительная часть окислов металлов железа и алюминия, а содержание основных элементов питания растений едва достигает крайнего предела достаточности.или они отсутствуют совсем (табл. 5.2). Наличие засоления, а также неблагоприятная по кислотности среда (от очень кислой до чрезмерно щелочной) и наличие токсичных солей затрудняют возможность выращивания растений непосредственно на субстратах.

Более пригодна для биологической рекультивации зола бурых и каменных углей, слагающая золоотвалы тепловых электростанций,– отсутствует засоление и, как правило, благоприятная реакция среды.

Однако проведение биологической рекультивации отвалов, сложенных минеральными грунтами, обусловливается не только их химическими свойствами. Большое значение имеют и физические свойства. Как правило, для грунтов, слагающих отвалы добывающей промышленности и субстратов, формирующих отвалы перерабатывающей промышленности, характерна бесструктурность.

По механическому составу грунты, слагающие отвалы, различны – от рыхлых песков до тяжелых глин. В своем большинстве они характеризуются бесструктурностью в связи с отсутствием органического вещества и элементов, обусловливающих создание структурных отдельностей. Поэтому грунты эрозионно неустойчивы. Денудационные процессы возникают на отвалах даже при скорости ветра 3–5 м/с. Перевевание поверхностных частиц на отвалах перерабатывающей промышленности приводит к возникновению пыльных бурь и сопровождается не только значительным загрязнением атмосферы прилегающих к отвалам территорий, но и ухудшением условий труда на предприятиях, находящихся в зоне действия таких отвалов. Кроме того, под влиянием ветровой эрозии мелкозем грунтов сносится в микропонижения рельефа отвалов или к их подножью. Все это приводит к усилению мозаичности в составе самих субстратов, находящихся на различных элементах микрорельефа, возникшего уже в процессе формирования отвалов. Под влиянием ветровой эрозии происходит выдувание семян и всходов растений, не успевших закрепиться достаточно прочно своей корневой системой в грунте. Все это в комплексе с мозаичностью грунтов поверхности отвалов приводит к мозаичности и в распределении растительного покрова на отвалах.

Не менее отрицательно влияет и водная эрозия, приводящая к образованию крупных размывов, промоин как на поверхности самих отвалов, так и на их откосах. Вымываемые из очагов горения на отвалах продукты окисления (соли серной и сернистой кислот) скапливаются в отрицательных элементах рельефа отвалов и приводят к образованию солончаков.

Бесструктурность грунтов в отвалах обусловливает и неблагоприятные водно-физические свойства. Наиболее неблагоприятны по механическому составу, водным свойствам и агро-

химическим показателям грунты отвалов, сложенных крупноглыбистыми отдельностями скальных горных пород, таких, как мраморовидные известняки, кварциты, доломиты и т. д. Поступающая с атмосферными осадками влага просачивается вглубь и становится недоступной для малоразвитых корневых систем растений-пионеров. Малая скорость выветривания этих пород, обусловливающая замедленные темпы образования мелкозема и переход неусвояемых форм элементов в усвояемые, также служит фактором, сдерживающим появление и нормальное развитие растительности на отвалах.

Некоторое исключение составляют отвалы, поверхностные слои которых сформированы четвертичными супесями и суглинками, особенно лёссовидными, как например на некоторых карьерах Украины, северного Казахстана и Среднего Урала. Рыхлые породы и удовлетворительная влагоемкость создают благоприятные условия для развития растений.

Таким образом, основными экологическими факторами, обусловливающими особенности возникновения и последующего развития растительного покрова на отвалах, являются факторы эдафического характера.

Формирование растительного покрова на отвалах, сложенных грунтами, сходными по химическому составу и физическим свойствам, различается также в зависимости от зонально-географического расположения объектов, близости источников обсеменения и интенсивности антропогенных воздействий. В засушливых районах страны – лесостепных, степных, полупустынных и тем более пустынных – поселение и развитие растений во многом определяются режимом увлажнения и особенностями перераспределения влаги в верхних слоях отвалов в зависимости от структуры нано- и микрорельефа. Так, в степной зоне на благоприятных по химическому составу грунтах отвалов пионерами зарастания являются травянистые растения. Для отвалов открытых горных разработок Карпинско-Вол-чанского угольного бассейна, сложенных не токсичными для растений грунтами и расположенных вблизи источника заноса семян, отмечено успешное самозарастание древесной растительностью, которое начинается уже со второго года после окончания формирования поверхности отвалов. Подобный же вывод сделан и для части отвалов открытых разработок железной руды на Урале, и для золоотвалов, расположенных в пределах лесной зоны Урала и Кузбасса, зарастание которых идет за счет травянистой растительности.

Таким образом, промышленные отвалы являются специфическими образованиями современного техногенного рельефа,, имеющими ряд общих признаков и свойств. В то же время различный как по химической, так и по физической природе тип грунтов, формирующих отвалы, позволяет сделать вывод о достаточной их индивидуальности, что дает основание для объеди-

нения отвалов в соподчиненные типы и группы. Причем тип грунта, степень его пригодности для выращивания растений, т. е. для проведения биологической рекультивации, а также возможность поселения растительности естественным путем во многом определяют направление и скорость начальных этапов почвообразования. Все это позволяет систематизировать отвалы, сложенные минеральными грунтами.

Разделение отвалов на классы произведено на основе характера и изменения горной породы, извлеченной из недр земли перед ее складированием в отвалы. К I классу отвалов отнесены все породные отвалы, т. е. те, которые образуются в результате открытой или подземной добычи минерального сырья. При складировании породы в отвалы нарушается ее естественная плотность, изменяется порядок ее сложения, а под влиянием процессов выветривания начинается ее постепенное разрушение и изменение химического состава, т. е., в I класс объединены все отвалы, грунты которых не подвергались дополнительной переработке, а только извлечены из недр земли и уложены в отвал.

Ко II классу отвалов относятся те из них, которые сформированы горной массой, прошедшей после извлечения из недр земли определенные стадии обработки: термическую (сжигание углей с образованием золы) или химическую (обогащение руд различными способами с образованием шламов или флотационных хвостов). К этому классу, следовательно, могут быть отнесены золоотвалы тепловых электростанций, шламо- и хвостохранилища предприятий черной и цветной металлургии, гидроотвалы и т, д.

Таким образом, разделение отвалов, образованных минеральными грунтами, на классы производится с учетом происхождения грунтов, слагающих отвалы. Как правило, отвалы I и II классов различаются не только по происхождению, но и по форме их поверхности.

Складирование пород в высокие многоярусные отвалы, производимое с помощью автомобильного, железнодорожного транспорта или других видов машин и механизмов, приводит к формированию поверхности с четко выраженным мезо- и микрорельефом. Отдельные участки таких отвалов имеют различные физические и агрохимические показатели грунтов, режим их влажности и температуру. Поэтому при решении вопроса биологической рекультивации отвалов необходимым условием является картирование площадей с выделением участков по степени пригодности их для освоения растениями. Это обеспечит i последующем выбор обоснованной схемы горнотехнического этапа рекультивации. Значительную долю общей площади отвалов составляют откосы, биологическая рекультивация которых сложнее рекультивации горизонтальных поверхностей.

Отвалы II класса образованы, как правило, гидротранспортированием их субстратов и формируются на месте естественных

или искусственно создаваемых углублений. Пионерные дамбы этих гидротехнических сооружений зачастую сформированы из естественных грунтов и лишь при создании многоярусных шламо- и хвостохранилищ – из субстратов, складируемых в отвал. Поверхность отвалов II класса в основном ровная, с незначительными, слегка волнистыми возвышениями, обусловленными особенностями транспортирования субстратов. Химический и механический составы субстратов таких отвалов, как правило, однородны и незначительно колеблются лишь в месте выпуска золы или шламов из труб в связи с отложениями здесь более крупных фракций.

Пути биологического восстановления отвалов разных классов будут различны. Для отвалов I класса обязательно предварительное картирование площади с характеристикой участков по степени пригодности их для выращивания растений. Для отвалов II класса с однородным составом слагающих их субстратов, как и для отвалов I класса, комплекс мероприятий горнотехнического этапа будет однородным для всей территории.

Дальнейшее разделение отвалов обоих классов на группы произведено с учетом агрохимических свойств грунтов. В основу дифференциации отвалов на этом уровне положен принцип разделения грунтов по степени пригодности последних для роста и развития растений, предложенный впервые при классификации грунтов Подмосковного угольного бассейна. В подгруппу потенциально плодородных относятся гумусовый горизонт почв, лёсс, лёссовидные суглинки, супеси и др. Общими свойствами их являются отсутствие токсичных солей, благоприятная по кислотности реакция среды, достаточное количество азота, фосфора и калия в доступной для растений форме. Недостаток элементов питания, обнаруживаемый в той или иной породе, может быть восполнен путем внесения соответствующих видов удобрений.

В группу «бедных» отнесены отвалы, сложенные грунтами, характеризующимися нормальной кислотностью, отсутствием органического вещества, а следовательно, и азота, недостатком элементов питания растений. Биологическая рекультивация отвалов этой группы возможна после применения мер улучшения грунтов.

В группу «токсичных» отнесены отвалы, грунты которых содержат избыточное количество солей, имеют чрезмерно низкую кислотность или высокую щелочность. Естественное зарастание отвалов этой группы не происходит или происходит за счет специфических видов сорной флоры, обладающих повышенной устойчивостью к засолению и неблагоприятной реакции среды, главным образом, галофитов по своей экологии.

Однако не только показатели химического состава грунтов (субстратов) определяют степень пригодности их для биологической рекультивации. Большое значение имеют и водно-физические свойства, такие, как водопроницаемость, влагоемкость, гидрофильность и другие. Поэтому классификация отвалов как основа отнесения их по степени пригодности грунтов для того или иного вида биологического освоения должна учитывать и характер водных и физических свойств их. Эти показатели учитываются при разделении групп отвалов на типы. Выделение отвалов, сложенных потенциально плодородными грунтами, обладающими не только благоприятными агрохимическими свойствами, но и имеющими достаточную влагоемкость, водопроницаемость, воздухопроницаемость и другие благоприятные физические свойства, позволяет отнести их к типу вполне пригодных или пригодных для возделывания растений и успешного самозарастания. И наоборот, неблагоприятные агрохимические показатели отвалов, отнесенных в группу бедных и токсичных, в комплексе с неудовлетворительными показателями механического состава (например, тяжелые глины или рыхлые пески) позволяют отнести эти отвалы к типу пригодных после улучшения или нуждающихся в коренной мелиорации.

Дальнейшая дифференциация отвалов на разновидности может производиться с учетом использования морфологических и морфометрических показателей и параметров отвалов, их возраста и т. д. Так, биологическое восстановление конусовидных терриконов будет отличаться от такого на плоских вершинах-, интенсивность естественного зарастания и эффективность создаваемых искусственных сообществ будут различными на низких, небольших по площади отвалах и высоких, обширных, многоярусных отвалах, отличающихся своим специфическим микроклиматом.

Наиболее благоприятные условия для прохождения начальных этапов сингенеза при формировании почвенного и растительного покровов как в результате самозарастания, так и в результате проведения биологической рекультивации наблюдаются на отвалах, сложенных потенциально плодородными грунтами и субстратами. Примером могут служить отвалы из четвертичных супесей и суглинков.

Значительно худшие условия формирования растительного покрова на отвалах, грунты которых представлены токсичными,^ засоленными породами или шламами предприятий черной и цветной металлургии. Если в первом случае успешное самозарастание отмечается уже с первых лет после окончания формирования поверхности отвалов, то во втором – отвалы остаются бесплодными на протяжении десятилетий.

Таким образом, необходимой предпосылкой при планировании и последующем проведении мероприятий по биологическому восстановлению земель, которое должно рассматриваться как часть проблемы рационального использования земельных ресурсов, является классификация отвалов, появляющихся в результате деятельности различных отраслей промышленности.