CC BY
63
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
УДК 631.48
Э. И. Гагарина, Е. В. Абакумов
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ АГРОРУД ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ ПОЧВ*
Развитие техногенной деятельности в настоящее время сопровождается уничтожением или коренным преобразованием на значительной части земной поверхности природных ландшафтов и формированием антррпогенных. Среди многообразия антропогенных ландшафтов значительное место занимают техногенные ландшафты, формирование и структура которых обусловлены деятельностью горнорудной промышленности. Рост добычи полезных ископаемых сопровождается увеличением площадей нарушенных земель, а их переработка на металлургических и других предприятиях — деградацией ландшафта, геохимической трансформацией почв и растительности под влиянием техногенных потоков веществ. Мощность техногенного воздействия на природную среду удваивается через каждые 12-15 лет, при этом ее деградация происходит гораздЬ быстрее-, чем восстановление нарушенных экосистем природными процессами.
Среди всех потребляемых в народном хозяйстве природных ресурсов более 70% объема приходится на полезные ископаемые. По степени и необратимости нарушений природного равновесия в экосистемах горнодобывающие и горноперерабатывающие предприятия занимают одно из первых мест среди производственных комплексов. На их долю приходится 70-80% объема всех отходов, поэтому они являются наиболее интенсивными источниками загрязнения окружающей среды твердыми, жидкими и газообразными отходами. При современной технологии добычи и переработки полезных ископаемых только 5-10% составляет полезный продукт, а 90-95% извлекаемого сырья практически безвозвратно теряется в виде твердых, жидких и газообразных отходов. За год в1 нашей стране на поверхность извлекается около 10 млрд м3 горных пород, что позволяет судить о масштабах этих техногенных воздействий [3].
.* Развитие горнодобывающего и перерабатывающего производства сопровождается также нарушением природного равновесия и возникновением экологических проблем, связанных с уничтожением почвенно-растительного покрова, изменением гидрологического режима территории, что ведет к заболачиванию или иссушению земель; возникающие отвалы являются мощным источником загрязнения окружающей среды, так как
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты №00-04-48269, 02-04-06057 и 03-04-48297).
© Э. И. Гагарина, Е. В. Абакумов, 2003
водная и ветровая эрозии ведут к выносу токсичных веществ за пределы зон разработок. Здесь наблюдается не только деградация почв, но и уничтожение растительности, фауны, а сброс загрязненных вод снижает продуктивность водоемов и вызывает гибель ценных сортов рыб. Разработка месторождений открытым способом характеризуется значительно большими нарушениями ландшафта, чем подземная добыча.
Большой вред природной среде наносит и обогатительное производство, что обусловлено прежде всего значительным потреблением чистой воды и сбросом в природные водоемы отработанных вод, содержащих флотационные реагенты, взвешенные растворенные вещества. Отрицательно влияет на земельные ресурсы изъятие земель из хозяйственного использования под хвостохранилища, отстойники, пульпопроводы, промплощадки обогатительных и агломерационных фабрик. При этом хвостохранилища следует оценивать не только величиной занимаемой ими площади, но и масштабами водной и ветровой миграции складируемых отходов, концентрацией и уровнем токсичности содержащихся в них соединений, степенью изменения гидрологического режима территорий, примыкающих к хвостохранилищам и отстойникам. Выбросы обогатительных фабрик, содержащие пыль, сернистый, углекислый газы и проч., оказывают отрицательное влияние прежде всего на воздушный бассейн и через него —на другие компоненты природной среды.
В целом повсеместное распространение техногенных образований ставит вопрос о необходимости оптимизации техногенных ландшафтов, что требует лх всестороннего изучения с учетом характера возникающих нар‘ ' .пений, состава и свойств пород, выносимых на дневную поверхность, с обязательным учетом местных зональных условий. Оптимальное использование ландшафта, подверженного техногенным изменениям, предполагает проведение комплекса мероприятий, направленных на восстановление, сохранение и увеличение продуктивности природоохранной, хозяйственной и эстетической ценности техногенных ландшафтов, на их реконструкцию с учетом потребностей общества. С этой точки зрения оптимизация антропогенных ландшафтов по своей сущности близка рекультивации. При решении вопросов восстановления нарушенных земель в настоящее время все больше распространяется экологический подход, направленный на создание экологически сбалансированных ландшафтов, наиболее полно отвечающих потребностям общества.
Для решения вопроса о- возможности утилизации вскрышных горных пород и от-, ходов производства в различных отраслях народного хозяйства и для определения их пригодности для биологической рекультивации необходимым условием является их всесторонняя оценка. Использование отходов горнорудной промышленности в сельском, лесном хозяйстве и зеленом строительстве требует предварительного изучения минералогического, химического, гранулометрического составов, агрофизических, физикохимических и агрохимических свойств. В зависимости от этих показателей, от состава и свойств удобряемых почв и потребностей растений в определенных элементах питания, а также от результатов вегетационных и полевыз^ опытов по изучению эффективности применения отходов в качестве удобрений и устанавливается возможность и целесообразность их утилизации в растениеводстве.
Основным условием использования отходов является избыток в них компонентов, в которых нуждается почва. Рекомендация дозы отходов базируется на данных анализов и полевых опытов, а также экономических и экологических показателях. Так, Л. П. Капелькиной [3] были разработаны критерии пригодности отходов промышленности для их утилизации в растениеводстве и расчет рекомендуемых доз их внесения. Факторы, ограничивающие использование отходов в растениеводстве, по ее мнению,
следующие: наличие в отходах сопутствующих примесей и элементов, приводящих к загрязнению почв; возможность повторной переработки отходов с целью наиболее полного извлечения основной массы сопутствующих элементов; утилизация в других направлениях с большим экономическим эффектом. Применение отходов в качестве агроруд требует проведения их геохимической оценки и контроля за накоплением металлов в почвах и растениях. Общее содержание любого элемента в почве после внесения промышленных отходов в пахотный горизонт может быть рассчитано, а полученные количественные показатели сравнены с ПДК в почве (или с фоновым, или с кларковым содержанием элемента в почве). Использование отходов исключается, если их внесение приводит к значительным превышениям концентрации токсичных элементов над ПДК, величинами фонового или кларкового содержания.
Использование агроруд для повышения плодородия почв началось давно [4, 5, 9, 10]. На легких песчаных почвах и почвогрунтах повышение плодородия достигается при внесении илистых и. коллоидных частиц (глинование), так как при этом происходит увеличение емкости поглощения почв, что сопровождается улучшением их водного и пищевого режимов. Для улучшения же физических свойств тяжелых глинистых почв и почвогрунтов используются песчаные породы. Использование песка и глины должно сопровождаться одновременным внесением органоминеральных удобрений. Изучение пескования и глинования почв проводилось в 60-70-х годах на кафедре почвоведения и географии почв ЛГУ под руководством проф. В. Н. Симакова [8]. В 80-х годах было проведено изучение отходов ряда горнодобывающих и перерабатывающих предприятий Мурманской области в качестве агроруд, что позволило выявить в них высокое содержание фосфора (до 15%), магния (до 31%), калия (до 6%) и послужило основанием рекомендовать отходы горнорудных предприятий для увеличения плодородия близрасположенных земель [3]. Однако практическое использование изученных отходов в сельском хозяйстве осуществляется в ограниченном объеме. Массовое использование отходов на полях сдерживается неорганизованностью этих работ, неконкурентоспособ-ностью отходов по сравнению с минеральными удобрениями (значительными затратами на погрузку, транспортировку и внесение в почву). А главное, вывозить отходы на большие расстояния экономически невыгодно.
В те же годы во ВСЕГЕИ под руководством доктора геол.-минер. наук Ф. Я. Сапрыкина [7] был разработан агрогеохимический метод повышения плодородия почв, основанный на использовании в качестве агроруд местных горных пород или отходов горнодобывающей и перерабатывающей промышленности. Работы были широко, организованы, с привлечением специалистов из ряда других учреждений: ЛГУ, СевНИИГиМ, СевЗапГИПРОЗЕМ. Были проведены геохимические исследования почв и пород осадочной толщи, составлена серия почвенно-геохимических карт Ленинградской области, проведены полевые и производственные опыты по использованию местных агроруд. По мнению авторов разработанного метода, мелиорантами могут 'быть породы, способные улучшить структуру почв, их водно-физические свойства, применяемые для этого в больших дозах (100-500 м3/га). При этом некоторые мелиоранты перспективно использовать в качестве заменителей удобрений. Минеральными мелиорантами могут служить породы как осадочного, так и магматического происхождения. К магматическим породам-мелиорантам относятся интрузивные и вулканогенные породы, к осадочным — различные карбонатные, глинистые, песчаные образования, горючие и углистые сланцы, бурые и каменные угли. Исследования почвоведов СПбГУ показали, что на почвообразующих породах, обогащенных примесью материала коренных пород, формируются почвы с более благоприятными свойствами, отличающиеся от
зональных подзолистых. Это в значительной степени связано с меньшей выветренностью коренных субстратов, способных выветриваться и поставлять в почву химические элементы, активно участвующие в почвообразовании [2].
В работах ВСЕГЕИ были использованы в качестве агроруд: некондиционные фосфориты (оболовые пески) и отходы — «хвосты» Кингисеппского АО «Фосфорит», глауконитовые породы (пески, песчаники, глины, мергели, алевролиты), диктионемовые сланцы, отвальные породы различных карьеров, некондиционные бурые угли (например, сбрасываемые в отвалы Боровичским комбинатом), шлам обогатительной фабрики в г. Сланцы, зола топлива электростанций. Геохимическое изучение состава пород показало, что многие из них могут быть применены в качестве комплексных калийнофосфорных удобрений. Так, глауконитовые породы содержат до 8% калия, до 42% железа, до 5% магния, до 7% кальция, до 4% фосфора. Диктионемовые сланцы, кроме высокого содержания калия (до 7%) и фосфора (до10%), содержат и органическое вещество (до 10-20%). Отходы обогатительной фабрики «Фосфорит» богаты фосфором (1,5-2%), представлены песком и фосфогипсом и занимают площадь около 1000 га, поэтому утилизация этих отходов является актуальной задачей.
Опыты по использованию агроруд проводились в совхозе «Федоровское», входящем в производственное объединение «Детскосельское» на дерново-подзолистой суглинистой почве, в совхозе «Кингисеппский» на дерново-подзолистых и торфяных почвах, в совхозе «Родина» Сланцевского района на дерново-глеевой почве. Исследования показали, что внесение агроруд в дозе 100-150 м3/га улучшает агрохимические и воднофизические свойства почв, повышает урожай культур, улучшает качество продукции, последействие от их внесения составляет 5-10 лет. Срок окупаемости дополнительных затрат на ускоренное окультуривание почв зависел от расстояния перевозки мелиорантов, дозы их внесения в почву, возделываемых культур и составил от 3-4 лет (совхоз «Федоровское», возделывались однолетние травы, овес) до 1 года (совхозы «Кингисеппский» и «Родина», где возделывались овощи). Как отметил академик Л. В.Таусон [7], «весьма интересен опыт ленинградских геохимиков, почвоведов и землеустроителей, разработавших агрогеохимический метод повышения плодородия почв путем внесения в них значительных количеств (100-150 м3 /га) местных осадочных пород, играющих роль “агроруд”. При использовании современной мощной землеройной и транспортной техники преобразование почв с помощью “агроруд” может стать экономически высокорентабельным мероприятием» (цит. по: [7]).
Таким образом, приведенные литературные данные свидетельствуют о возможности использования осадочных пород в качестве мелиорантов. Что же касается использования магматических пород для этих целей, то данных по этому вопросу немного. Между тем на территории Северо-Запада, где близко к поверхности подходят коренные породы, в том числе магматические и метаморфические, широко развито камнедробильное производство, поставляющее щебень для различных нужд народного хозяйства. Добыча сырья проводится открытым способом из глубоких карьеров, а его переработка осуществляется на расположенных вблизи камнедробильных комбинатах. Поскольку востребованным является щебень определенного размера, то образующийся в результате отсева более мелкий материал практически остается неиспользуемым и образует огромные отвалы вокруг комбинатов. Эти отвалы легко развеваются ветром, плохо зарастают и являются загрязнителями окружающей территории. Используемая в производстве для гидросмыва вода сбрасывается вместе с содержащимся в ней песчанопылеватым материалом в водоемы, что влияет на изменение их глубины и качества воды. Между тем материал отсева может быть использован для различных целей, в
том числе и в качестве агроруд для улучшения свойств местных глинистых почв, имеющих неблагоприятные водно-физические свойства. Одним из подобных камнедробильных комбинатов является Каменногорский комбинат нерудных материалов, расположенный на севере Капельского перешейка, разрабатывающий на щебень Киркинское месторождение гранито-гнейсов. Эти породы имеют высокое содержание полевых пшатов и биотита. Породы этого месторождения, как показали анализы, отличаются нормальным уровнем радиации. В составе отсева можно насчитать около двух десятков различных минералов.
Основным продуктом комбината является щебень размером 5-10 см. Щебень более мелкого размера используют водоочистительные предприятия, отсев размером менее 6,3 мм образует основную часть отвалов, площадь которых постоянно увеличивается.
Для проведения агроэкологической экспертизы отходов Каменногорского комбината нерудных материалов, с целью изучения вопроса о возможности их использования в качестве агроруд, летом 1999 г. здесь были отобраны образцы материала отвалов. Объектами исследования послужили: образцы отсевов менее 10 мм (образец 1), отсевов менее 6,3 мм (образец 2), пыль из камнедробильного цеха (образец 3), материал гидрослива с верхней части берега озера (образец 4), материал гидрослива с нижней части берега озера (образец 5), материал гидрослива со дна озера (образец 6). .
Для исследования образцов были определены следующие параметры: 1) гранулометрический анализ по Н. А. Качинскому (%), 2) гигроскопическая влага и удельный вес твердой фазы пикнометрическим методом [6], 3) pH водной и солевой суспензий, содержание обменных оснований (Са2+ и Mg2+), содержание углерода по Тюрину [1], 4) количество основных элементов питания — фосфора и калия по методу Кирсанова, нитратного азота (дисульфофеноловый метод), аммиачного азота (по методу Несслера) [1]. Полученные результаты представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1. Гранулометрический состав мелкозема отвалов Каменногорского комбината
№ образца Гигр. влага, % Удельный вес тверд, фазы, г/см3 Содержание фракций (диаметром, мм), %
1- 0,25 0,25- 0,05 0,05- 0,01 0,01- 0,005 0,005- 0,001 < 0,001 <0,01
1 0,41 2,59 44,0 29,9 11,0 7,0 2,2 . 5,9 15,1
2 0,34 2,80 49,8 29,9 7,8 2,2 4,6 5,7 12,5
3 0,49 2,72 0,8 58,8 21,9 9,7 2,9 6,8 19,4
4 0,30 2,25 0,4 45,4 45,0 3,8 1,4 4,0 9,2. ,
5 0,24 2,69 1,2 53,2 16,2 21,0 2,2 6,2 29,4
6 0,46 2,70 4,1 63,0 25,0 1,6 0,3 5,9 7,8
Определение гранулометрического состава показало, что в отсеве размером менее 10 мм (образец 1) преобладают частицы размером более 1 мм (около 70%). В составе же мелкозема преобладают фракции крупного и среднего песка (44%), несколько ниже содержание мелкого песка (около 30%). Среди фракций пыли преобладает крупная пыль, а илистых частиц около 6%. В целом по составу мелкозема отсев представляет собой супесь крупнопылевато-песчаную.
Отсев менее 6,3 мм (образец 2) отличается от первого только меньшим содержанием частиц крупнее 1 мм (около 15%), состав же мелкозема аналогичен образцу 1 (супесь крупнопылевато-песчаная).'
Обра- зец рн вод. pH СОЛ. Поглощенные катионЫ Р2О5, мг/кг К20, мг/кг N(N114), мг/кг N(N03), мг/кг с, %
Ся>+, мг-экв/100 г мё2+, мг-экв/100 г
1 8,3 7,5 4,0 4,5 6,0 127,3 Не опр. Следы Не опр.
2 7,9 6,9 3,0 2,0 6,0 143,5 » 0,174
3 8,7 7,8 8,5 9,5 18,0 730,2 Следы 100,0 ( 0,906
4 7,7 7,2 1,0 4,0 7,0 129,8 Не опр. Не опр. 0,781
5 .7,6 7,3 1,5 5,5 10,0 104,7 » » • 0,403
6 7,3 6,8 0,5 4,5 14,0 68,5 Не опр.
Пыль из цеха (образец 3) и все последующие образцы не содержат частиц крупнее 1 мм. В составе мелкозема преобладает фракция мелкого песка, а из фракции пыль — крупная пыль. В целом это почти легкий суглинок крупнопылевато-мелкопесчаный.
Образец 4 (гидрослив с верхней части берега) состоит в основном из фракции мелкого песка и крупной пыли, содержание же более тонких фракций по сравнению с образцами 1, 2, 3 понижено, что связано с удалением их водой. По гранулометрическому составу это песок крупнопылевато-мелкопесчаный.
Образец 5 (гидрослив с нижней части берега) отличается от всех образцов более тяжелым гранулометрическим составом: в нём повышено содержание пылеватых фракций (особенно фракции средней пыли), больше илистых частиц. По гранулометрическому составу это легкий суглинок пылевато-мелкопесчаный.
На дне озера (образец 6) концентрируется наиболее грубый материал гидрослива. В нем резко преобладает фракция мелкого песка и крупной пыли. По гранулометрическому составу это песок крупнопылевато-мелкопесчаный.
Таким образом, исследованные образцы существенно различаются по гранулометрическому составу: мелкозем отсевов представляет собой супесь, пыль из цеха и материал гидрослива с нижней части берега — легкий суглинок, а материал гидрослива с верхней части берега и со дна озера—песок. Эти различия связаны с сортировкой отсева воздушным и водным путем.
Исследование агрохимических показателей субстратов показало, что все они имеют щелочную реакцию, что связано с высоким содержанием в них щелочных элементов. Наиболее высокую щелочность имеет пыль из цеха, что объясняется более тяжелым гранулометрическим составом этого материала. По той же причине пыль из цеха отличается и более высоким содержанием поглощенных оснований. Следует отметить, что в первых трех образцах, не претерпевших обработки водой, содержание поглощенных Са2+ и ]\^2+ отличается мало, в продуктах же гидрослива в поглощенном состоянии резко преобладает магний, что свидетельствует об интенсивном выщелачивании из них кальция.
' По содержанию .элементов питания все исследованные образцы бедны. Исключение составляет только, калий. Очень высокое содержание калия отмечается в образце 3 (пыль из цеха), ниже —в образце 2, еще ниже в образце 1 и меньше всего в образце б, в котором содержание калия согласуется с понижением pH, что свидетельствует о сильном выщелачивании этого элемента. Содержание фосфора в продуктах отсева и гидросмыва, как и углерода, очень низкое. Лишь пыль из цеха имеет несколько большее их содержание. В ней же обнаружено и низкое содержание нитратного азота.
Таким образом, по агрохимическим показателям исследованные отвалы могут быть использованы в качестве агроруд для снижения кислотности почв и повышения в них содержания калия. Для улучшения песчаных почв предпочтительнее измельченный субстрат сухого отсева-JB почвы тяжелого гранулометрического состава возможно внесение более крупного сухого отсева. Указанные мелиоранты способны не только оптимизировать агрохимические свойства почв, но и существенно повлиять на улучшение их водно-физических свойств. Материал гидрослива, как в значительной степени выщелоченный субстрат, для использования в качестве агроруд менее пригоден. Для окончательного решения вопроса об использовании отсевов в качестве агроруд необходима постановка полевых опытов с внесением этих мелиорантов в почву.
Summary
' Gagarina E.I., Abakumov Е. V. Soil properties improvement by application of mines substrates.
Problems of utilization of mine substrates on the territories near the quarries are discussed. One of the way Of economically effective utilization of sandy mines is application of this material on the clay-textured soils of the North-West of Russia. Data on the possibility of granite sands in agriculture and its influence on soil properties improvement are discussed.
Литература
1. Аринушкина E.B. Руководство по химическому анализу почв. М., 1970. 2. Гагарина Э.И., Матинян Н.Н. и др. Почвы и почвенный покров Северо-Запада России. СПб., 1995. 3. Ка-пелъкина Л.П. Экологические аспекты оптимизации техногенных ландшафтов. СПб., 1993.
4. Котельников В. Г. Об улучшении песчаных почв навозкой глины и суглинка. Об удобрении почв. Изд. 5-е. СПб., 1894. 5. Миневич С.М. Приемы коренного улучшения песчаных почв Полесья / / Учен. зап. Ленингр. ун-та. Вып. 12. Л., 1944. 6 Растеороеа О.Г. Физика почв: Практическое руководство. J1'., 1983. 7. Сапрыкин Ф.Я. Геохимия почв и охрана природы. Геохимии, повышение плодородия и охрана почв. Л., 1984. 8. Симаков В.Н., Абдужалалов А. Улучшение песчаных почв подзолистой зоны путем глинования // Агропочвенные и геоботанические исследования Северо-Запада СССР: Сб. статей. Л., 1965. С. 87-125. 9. Турчин Ф.В. Влияние мергеля, соломы и глины на песчаных почвах // Труды Полесской обл. с.-х. опытной станции. Т. III, вып. 43. 1929. 10. Gerlach М. Die Wirkung einer Durchmischung des leichterer Bodens mit Moor, Mergel, Ton und Stroh // Landwirtschaftlichen Versuchs-Stationen. Bd LXXIX-LXXX. 1913. S. 681.
Статья поступила в редакцию 7 октября 2002 г.
