CC BY
2
ISSN 2411-3336: e-ISSN 2541-9404
ЗАПИСКИ ГОРНОГО ИНСТИТУТА
Journal of Mining Institute Сайт журнала: pmi.spmi.ru
Научная статья
Оценка эффективности использования осадка сточных вод для рекультивации нарушенных территорий в Кольской субарктике
(на примере песчаного карьера)
Л.А.Иванова12, М.В.Слуковская34, Е.А.Красавцева23Н
1 Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. НЛЛврорина КНЦРАН, Кировск, Россия
2 Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, Апатиты, Россия
3 Лаборатория природоподобных технологий и техносферной безопасности Арктики ЦНМКНЦ РАН, Апатиты, Россия
4 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья КНЦ РАН, Апатиты, Россия
Как цитировать эту статью: Иванова Л.А., Слуковская М.В., Красавцева Е.А. Оценка эффективности использования осадка сточных вод для рекультивации нарушенных территорий в Кольской субарктике (на примере песчаного карьера) // Записки Горного института. 2024. Т. 267. С. 444-452. EDN FNAPXK
Аннотация. Дана оценка эффективности рекультивационных мероприятий с применением осадка сточных вод для ускоренного формирования устойчивого противоэрозионного растительного покрова на малопродуктивном техногрунте песчаного карьера в условиях Кольского Севера. Схема эксперимента, заложенного в 2017 г., включала три варианта: контрольный - без мелиоранта, опытный 1 - фрагментарное (50 %) нанесение осадка сточных вод, опытный 2 - сплошное нанесение. На шестой вегетационный сезон были проанализированы пробы техноземов и проведены измерения эмиссии СО2. Показано, что использование осадка сточных вод оказывает положительный эффект на физико-химические и агрохимические свойства грунтов: снижаются рН и плотность в его естественном залегании, повышается гигроскопичность, растет содержание доступных фосфора и калия. Выявлены достоверные отличия (р < 0,05) между эмиссиями СО2 в контрольном и опытных вариантах. Содержание органического углерода в контрольном было ниже, чем в опытных вариантах, при фрагментарном нанесении осадка сточных вод в три раза, при сплошном - в девять раз. Также выявлены достоверные (р < 0,05) различия в содержании углерода и азота в вытяжках холодной и горячей воды между образцами контрольного и опытного варианта со сплошным нанесением осадка сточных вод. Вместе с тем, путем расчета отношения СМ установлен очень низкий уровень обогащенности гумуса азотом. Определены основные факторы, обуславливающие изменчивость оцениваемых параметров - применение мелиоранта и способ его нанесения, вклад применения составил 60 %, вклад способа - 14 %. С учетом экономической составляющей рекомендуется фрагментарное нанесение осадка сточных вод на техногрунт песчаного карьера для создания устойчивого противоэрозионного фитоценоза.
Ключевые слова: ландшафт; песчаный карьер; технозем; мелиорант; осадок сточных вод; эмиссия СО2 Благодарность. Исследование проведено в рамках тем НИР FMEZ-2022-0022, FMEZ-2022-0010.
Поступила: 28.03.2024 Принята: 03.06.2024 Онлайн: 04.07.2024 Опубликована: 04.07.2024
Введение. Активная деятельность горнопромышленных предприятий в Мурманской области по добыче полезных ископаемых открытым способом - песка, щебня, блочного камня и других, широко используемых в строительстве и производстве материалов, - привела к появлению многочисленных малых и больших карьеров. Такой подход оптимизирует экономику строительной отрасли в регионе, однако создает ряд экологических проблем, связанных с возникновением новых техногенных форм ландшафта с низкой биологической продуктивностью и специфическими геоморфологическими, гидрофизическими и геохимическими свойствами. Баланс запасов по Мурманской области учитывает 68 месторождений песчано-гравийной смеси с запасами 92690 тыс. м3 по категориям А + В + С1, а запасы разрабатываемых месторождений составляют 48721 тыс. м3. 1
1 Текущее состояние минерально-сырьевой базы Мурманской области. URL: https://mpr.gov-murman.ru/activities/naprav-lemya/10.mineral/00.current/ (дата обращения 28.03.2024).
Карьерные выработки наиболее востребованы вблизи городов и поселений, однако они приводят к загрязнению атмосферного воздуха, нарушению почвенного покрова и балансового режима поверхностных и подземных вод, биоты, что также отрицательно сказываются на здоровье людей [1-3].
В России, в соответствии с законом «О недрах»2, по окончании освоения месторождения на нарушенных горными работами участках требуется обязательное проведение восстановительных мероприятий по предотвращению отрицательного воздействия на окружающую среду (рекультивации) и приведению в состояние, пригодное для дальнейшего использования. Однако непродуктивные карьерные техногрунты малопригодны для рекультивации как по физическим свойствам, так и по химическому составу (ГОСТ 17.5.1.03-86) [4-6], особенно в суровых климатических условиях Крайнего Севера. Рекультивация проблематична без дополнительных инвестиций в дорогостоящие материалы и удобрения, поэтому требуется поиск и разработка нетрадиционных научно обоснованных, адаптированных к экологическим и экономическим особенностям региона способов использования альтернативных мелиорантов, повышающих биогенность подобных грунтов [7, 8].
В связи с этим большой интерес вызывают продукты переработки региональных водоканали-зационных хозяйств - осадки сточных вод (ОСВ) [9, 10]. Многие российские и зарубежные исследователи изучают возможности применения ОСВ в качестве мелиорантов для восстановления растительного покрова на хвостохранилищах бокситовых [11], медных [12, 13] и редкометалльных рудников [14, 15]. Внесение ОСВ, характеризующихся значительным содержанием органического вещества и питательных элементов в биодоступных формах, способствует улучшению эдафиче-ских факторов рекультивируемых грунтов [16-18]. Однако изучать осадок необходимо в каждом случае из-за возможного наличия в нем тяжелых металлов и патогенных микроорганизмов [19].
Применение органических мелиорантов для формирования противоэрозионных фитоценозов на песчаных поверхностях карьеров в арктических условиях без традиционного землевания может способствовать решению проблемы пылеподавления. Следует изучать комплекс показателей -доступные формы питательных элементов (азота, фосфора, калия), органического углерода, растворенного органического вещества, почвенного дыхания (эмиссии СО2 из почвы) - широко используемых для оценки состояния и продуктивности создаваемых экосистем [20].
Цель работы - оценка эффективности рекультивационных мероприятий с применением ОСВ для ускоренного формирования устойчивого противоэрозионного растительного покрова на песчаном карьере. Практический аспект исследования заключается в разработке экономически эффективной экотехнологии восстановления нарушенных ландшафтов с применением нетрадиционного и требующего утилизации органоминерального мелиоранта.
Методы. Характеристика опытных площадок и схема эксперимента. В 2017 г. на модельном участке песчаного карьера регионального предприятия водопроводно-канализационного хозяйства АО «Апатитыводоканал» сотрудниками ФИЦ КНЦ РАН был заложен мелкоделяночный полевой опыт по созданию противоэрозионных травостоев с применением ОСВ. Мелиорант был предоставлен тем же предприятием. Согласно проведенным ранее исследованиям, ОСВ АО «Апатитыводоканал» относились к отходам V класса опасности и полностью соответствовали требованиям ГОСТ Р 54534-2011, предъявляемым к ОСВ при использовании в качестве почвогрунтов для биологической или технической рекультивации (табл. 1) [8, 21, 22]. Содержание органического вещества составляло 62 %, калия - 0,38 %. Ориентировочный возраст использованного ОСВ составлял 3-5 лет при хранении в аэротенках предприятия.
Эксперимент проводился на 18 делянках площадью по 1 м2, заложенных на расстоянии 0,5 м друг от друга. Схема опыта предусматривала три варианта (п = 6): контрольный вариант (без использования ОСВ), опытный вариант 1 - фрагментарное нанесение ОСВ (50 % площади - точечно, в шахматном порядке в пределах каждой из площадок), опытный вариант 2 - сплошное применение ОСВ (100 % площади). Толщина слоя наносимого мелиоранта составляла около 5 см. Консистенция
2 Закон РФ «О недрах» от 21.02.1992 № 2395-1. Статья 22. Основные права и обязанности пользователя недр. URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_343/ed644f2f2ff8ea426789b6895057ff6ddd4807d3/ (дата обращения 28.03.2024).
ОСВ сметанообразная, исключающая возможность растекания осадка за пределы площадки. Влажность нанесенного мелиоранта составляла 95-97 %. В качестве посевного материала использовалась травосмесь, включающая районированные семена злаковых и бобовых видов растений. В течение первых трех лет ежегодно оценивалось качество созданных фитоценозов: высота растений, площадь проективного покрытия и плотность травостоя, запас надземной фитомассы, мощность травяной дернины, увеличение биоразнообразия растений в созданных фитоценозах, позднее оценивалась эффективность работы фотосинтетического аппарата [8, 21, 22]. Состояние растительности на экспериментальных делянках с 2019 по 2023 гг. представлено на рис.1.
Таблица 1
Сравнительный анализ химического состава ОСВ АО «Апатитыводоканал» и нормативов (ГОСТ Р 54534-2011)
Показатель ОСВ Условия использования
Техническая рекультивация Биологическая рекультивация
Класс опасности для окружающей среды V IV, V IV, V
РЬ, мг/кг < 30 1000 500
Zn, мг/кг 186 7000 3500
N1, мг/кг < 30 800 400
Си, мг/кг < 30 1500 750
рНкс1 5,50 5,0-8,5 5,0-8,5
Общий азот, % 0,19 Не нормируется 0,5
Общий фосфор, % 0,02 Не нормируется 1,5
Отбор проб и анализ. Пробы грунта и техноземов на экспериментальном участке в карьере отбирались в шестой вегетационный сезон с помощью режущего кольца диаметром 10 см и высотой 5 см. Образцы отбирались по одному в каждой повторности, т.е. для каждого из вариантов имелось по 6 образцов n = 6. Плотность грунта рассчитывалась как отношение абсолютно сухой массы образца к объему пробоотборника.
Для определения рН водной и солевой (KCl) вытяжек использовался лабораторный иономер И-160МИ со стеклянным лабораторным электродом ЭС-10603 и электродом сравнения ЭСр-10103. Вытяжка для определения рНн2о готовилась при соотношении твердой и жидкой фазы (Т : Ж) - 1 : 5, перемешивалась в течение трех минут, отстаивалась пять минут в соответствии с ГОСТ 26423-85.
Вытяжка для определения рНха готовилась при соотношении Т : Ж - 1 : 25, перемешивалась на лабораторном шейкере в течение одного часа в соответствии с ГОСТ 26490-85. Определение коэффициента гигроскопичности образцов проводилось в Центре коллективного пользования ИППЭС КНЦ РАН в соответствии с ГОСТ 28268-89.
Подвижный фосфор и обменный калий определяли по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ P 54650-2011). К пробе грунта (Т : Ж - 1 : 5) добавлялся раствор HCl 0,2 н, смесь перемешивалась на лабораторном шейкере в течение 15 мин, затем фильтровалась через бумажный фильтр «синяя лента». Результирующие растворы анализировались в Центре коллективного пользования ИППЭС КНЦ РАН методами атомно-абсорбционной спектрометрии (атомно-абсорб-ционный спектрометр «Квант-2мт») и фотометрии (фотометр фотоэлектрический КФК 3-01).
Органический углерод в твердых образцах определяли по методу Тюрина (ГОСТ 26213-91). Содержание лабильных форм углерода и азота анализировалось после экстракции холодной и горячей водой [23]. Экстракция холодной водой проводилась при комнатной температуре (экстра-гент - дистиллированная вода, соотношение Т : Ж - 1 : 10, время экстракции 30 мин), растворы центрифугировались (лабораторная универсальная центрифуга Dlab DM0636, 3500 об/мин, 30 мин) и фильтровались через мембранный фильтр «Владипор» с размером пор 0,45 мкм. Для экстракции горячей водой к оставшейся твердой фазе добавлялась свежая порция дистиллированной воды и выдерживалась в термостате при 80 °С в течение 16 ч. Полученные вытяжки центрифугировались и фильтровались по описанной схеме. Концентрации азота и углерода в полученных фильтратах определялись с помощью анализатора элементного состава «Топаз NC».
Измерение эмиссии СО2 грунтами проводились дважды за вегетационный сезон с использованием портативного газоанализатора EGM-5 с камерой SRC-2 (PP Systems). За один час до измерения открытые камеры были углублены в почву на 3 -4 см с предварительным удалением живой биомассы. Одновременно с этим измерялась температура грунта на глубине 1 и 10 см термометром Checktemp-1 (Hanna Instruments) и влажность грунта - на глубине 10 см влагомером SM-150 (Delta-T Devices) [24].
Статистическая обработка результатов проводилась с использованием MS Excel 2016, пакет StatPlus (версия v7, AnalystSofft Inc.). Достоверность различий параметров по вариантам оценивалась с помощью однофакторного дисперсионного анализа ANOVA (p < 0,05).
Обсуждение результатов. Результаты определения основных физико-химических и агрохимических свойств образцов грунта, отобранных с экспериментальных делянок, и их статистической обработки представлены в табл.2.
Таблица 2
Физико-химическая и агрохимическая характеристики образцов
Показатель Контрольный образец Образец с фрагментарным нанесением ОСВ Образец со сплошным нанесением ОСВ
Плотность, г/см3 1,48 ± 0,07a 1,11 ± 0,04b 0,99 ± 0,04b
Коэффициент гигроскопичности 1,006 ± 0,0001a 1,008 ± 0,001ab 1,012 ± 0,002b
рНы2О 6,37 ± 0,05a 6,40 ± 0,03a 6,20 ± 0,04b
рНт 5,84 ± 0,08a 5,36 ± 0,03b 5,03 ± 0,10c
K, мг/кг 15,60 ± 0,89a 38,01 ± 2,85ab 59,35 ± 11,12b
P, мг/кг 81,28 ± 15,32a 72,13 ± 1,50ab 229,92 ± 63,46b
Примечание. Приведены средние значения ± стандартная ошибка; буквы в надстрочных индексах означают достоверное наличие (буквы разные) или отсутствие (буквы одинаковые) различий между вариантами опыта при р < 0,05.
Ш Записки Горного института. 2024. Т. 267. С. 444-452 © Л.АИванова, М.В.Слуковская, Е.А.Красавцева, 2024
Внесение ОСВ и его длительное депонирование привело к значительному снижению плотности грунта и повышению гигроскопичности на экспериментальных площадках. Плотность образцов технозема в сравнении с контрольным участком снизилась в 1,3 и 1,5 раза для опытных площадок с фрагментарным и сплошным нанесением мелиоранта соответственно. Выявлены значимые различия (р < 0,05) плотности грунта между опытными и контрольным вариантами без существенного различия между способами нанесения мелиоранта. Коэффициент гигроскопичности статистически значимо отличался для образцов контрольных участков и участков со сплошным нанесением ОСВ. В работах [19, 25, 26] отмечалось положительное влияние ОСВ на физико-химические свойства грунтов, в частности плотность и водно-воздушный режим.
По рН водной вытяжки все образцы относятся к слабокислым, близким к нейтральным. Применение ОСВ достоверно (р < 0,05) снизило актуальную кислотность в образце со сплошным нанесением. Значения рН солевой вытяжки изменялись значительно: грунт карьера близок к нейтральной, а грунт опытных площадок - к слабокислой реакции среды. Не только факт нанесения, но и площадь покрытия ОСВ повлияли на величину потенциальной кислотности.
Результаты химического анализа показали закономерное увеличение содержания подвижного калия в ряду: контрольный участок < участок фрагментарным нанесением ОСВ < участок со сплошным нанесением ОСВ. Схожие результаты были получены в ходе эксперимента на апатит-нефелиновых хвостах обогащения [21]. Вместе с тем, содержание доступного фосфора было достоверно выше, чем в контрольном, только в варианте сплошного нанесения ОСВ.
При сопоставлении содержания подвижных фосфора и калия в грунте со шкалой обеспечен-
3
ности почв питательными элементами, представленной в методических указаниях , установлено, что во всех вариантах техноземы относятся к классу очень высокой обеспеченности фосфором. По содержанию калия грунт в варианте со сплошным нанесением ОСВ соответствует очень высокому, в варианте с фрагментарным нанесением ОСВ - повышенному, в контрольном - среднему уровню обеспеченности. Таким образом, содержание подвижных форм питательных элементов в грунте по истечении шести лет после однократного использования ОСВ позволяет судить о пролонгированном действии данного мелиоранта.
Содержания углерода и азота в различных фракциях и результаты их статистической обработки представлены в табл.3. Количество органического углерода закономерно возрастало в ряду: контрольный < фрагментарное нанесение ОСВ < сплошное нанесение ОСВ. Достоверные различия выявлены между контрольным и опытным вариантом со сплошным нанесением мелиоранта (р < 0,05).
Таблица 3
Содержание углерода и азота в различных фракциях
Показатель Контрольный образец Образец с фрагментарным нанесением ОСВ Образец со сплошным нанесением ОСВ
Сорг, % 0,29 ± 0,05!1 0,90 ± 0,20л 2,89 ± 0,93ь
Cхол, мг/кг 199,7 ± 54^ 358,8 ± 119,1л 556,1 ± 60,5ь
№ол, мг/кг 4,64 ± 0,7Р 12,6 ± 1,6Л 27,4 ± 10,1ь
СМхол 46,1 ± 22,0" 26,7 ± 8,1" 26,83 ± 9,4"
^ор, мг/кг 811,5 ± 92,2" 1675,1 ± 425,2Л 2420,3 ± 476,2ь
№ор, мг/кг 19,9 ± 4,3" 36,4 ± 1,1л 227,6 ± 102,3ь
С/№ор 51,0 ± 12,7" 45,1 ± 10,3" 21,0 ± 7,2"
Содержание углерода, извлекаемого дистиллированной водой при комнатной температуре, характеризует содержание водорастворимого органического вещества, являющегося субстратом для почвенной микрофлоры и растительности [27-29]. Закономерно содержание углерода и азота возрастает с увеличением количества внесенного ОСВ. Выявлены достоверные (р < 0,05) различия в содержании водорастворимого углерода и азота между образцами контрольного и опытного варианта со сплошным нанесением ОСВ.
3 Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения. М.: ФГНУ «Росинормагротех», 2003. 241 с.
Содержание углерода и азота в вытяжке, приготовленной с использованием горячей воды в качестве экстрагента, характеризует содержание углерода и азота микробной биомассы [30-32]. Как и в случае с холодными вытяжками, содержание углерода и азота в горячих вытяжках закономерно возрастает в ряду: контрольный участок < участок с фрагментарным ОСВ < участок со сплошным ОСВ. Достоверные различия также выявлены для содержания углерода и азота в опытном варианте со сплошным нанесением ОСВ в сравнении с контрольным.
Дополнительным показателем гумусного состояния почв является соотношение С/Ы. Согласно исследованию [33], почвы, величина отношения С^ которых превышает 14, соответствуют очень низкому уровню обогащен-ности гумуса азотом. Отношение водорастворимых форм С/Ы в холодной вытяжке изученных образцов значительно выше приведенного значения. Вместе с тем данный показатель для обоих опытных вариантов с применением мелиоранта в два раза ниже, чем в контрольном, что может быть обусловлено увеличением содержания азота совместно с углеродом и пропорционально способу нанесения ОСВ. Величина отношения углерода и азота в горячей вытяжке закономерно снижается в ряду: контрольный участок -- участок с фрагментарным ОСВ - участок со сплошным ОСВ.
Наименьшие значения эмиссии СО2 в июне отмечены на контрольных площадках - 0,15 ± ± 0,05 мг СО2/м2ч при средней влажности 2,2 % (рис.2). На участках с фрагментарным нанесением мелиоранта данный показатель был значительно выше - 0,69 ± 0,08 мг СО2/м2ч при средней влажности 10,7 %, а на участках со сплошным нанесением мелиоранта 0,49 ± 0,04 мг СО2/м2ч при средней влажности 3,8 %.
В конце вегетационного сезона значения эмиссии СО2 на экспериментальных делянках составили 0,22 ± 0,06 мг СО2/м2ч (при влажности 14,7 %) для контрольного участка; 0,47 ± 0,02 мг СО2/м2ч (при влажности 25,3 %) для участков с фрагментарным нанесением ОСВ; 0,49 ± 0,05 мг СО2/м2ч (при влажности 25,2 %) со сплошным нанесением ОСВ. В контрольной серии достоверных различий между результатами, полученными в разные периоды измерений, не выявлено; при этом эмиссии в контрольной серии были значимо (р < 0,05) ниже по сравнению с опытными вариантами как в июне, так и в сентябре. В серии с фрагментарным нанесением ОСВ эмиссии СО2 в июне были статистически значимо выше, чем в конце сезона, тогда как для серии со сплошным нанесением мелиоранта такой зависимости выявлено не было. Высокие значения эмиссии СО2 в июне в серии с фрагментарным нанесением ОСВ обусловлены повышенной влажностью грунта в начале вегетационного сезона [34, 35].
Анализ взаимосвязи эмиссии СО2 с другими лабильными почвенными параметрами показал высокий уровень корреляции между почвенным дыханием, влажностью и содержанием углерода и азота в горячей вытяжке (табл.4), такие закономерности были отмечены в работе [36].
0,8
0.6-
о о
0.4-
о о
к
£ °-2
Ьс
Ьс
Sq_06 \Vf_06 \Ус_06 Sq_09 \Vf_09 \Ус_09
ЗОп
20
О
О
10
□
Ж
• •
□ □
Ж
Ж
ж ж
ж
□ □ Й
гЗО
-20
-10
Sq_06 \Vf_06 \Ус_06 Sq_09 \Vf_09 \Ус_09 Г 1 см. °С □ Т 10 см. °С Ж IV, %
Рис.2. Эмиссия СО2 почвой (а), влажность грунта и температура в поверхностном слое и на глубине 10 см (б) в июне и сентябре
Sq - контроль; - фрагментарное нанесение ОСВ; - сплошное нанесение ОСВ; 06 - июнь; 09 - сентябрь Буквы над столбцами - достоверное наличие (буквы разные), отсутствие различий (буквы одинаковые) между вариантами опыта при р < 0,05
а
Ь
а
а
0
б
Ш Записки Горного института. 2024. Т. 267. С. 444-452 © Л.АИванова, М.В.Слуковская, Е.А.Красавцева, 2024
Таблица 4
Коэффициенты корреляции Пирсона для некоторых параметров (п = 18)
Параметр Эмиссия CO2, мг СО2/м2ч Влажность W, % Содержание азота в горячей вытяжке Ыгор, мг/кг
ш, % 0,7147 — _
р 0,0013 - —
№ор, мг/кг 0,5165 0,6712 -
р 0,0338 0,0023 -
агор, мг/кг 0,6145 0,6539 0,7814
р 0,0087 0,0032 0,0001
0,6
0,2
-0,6
-0.2
0,2
©
-0,2
-0,6
0,6
На основании результатов факторного анализа выявлены два основных фактора, объясняющие свыше 74 % изменчивости рассматриваемых параметров - применение ОСВ и способ нанесения мелиоранта (рис.3, табл.5). Вклад первого фактора - применение ОСВ - составил 60 %. Наибольшую нагрузку на этот фактор оказали содержание биодоступных фосфора, калия, углерода, азота, эмиссия СО2 почвой, потенциальная кислотность, плотность, влажность, коэффициент гигроскопичности. Почти все параметры имеют прямую зависимость и лишь плотность грунта и рН солевой вытяжки - обратную [35].
Наибольшую нагрузку на второй фактор -способ нанесения мелиоранта, вклад которого составляет 14,2 %, оказали рН водной вытяжки, объемная влажность и содержание подвижного фосфора. Обратная зависимость выявлена только для содержания подвижного фактора.
Наиболее важным условием является наличие слоя мелиоранта, приводящее к разрыхлению грунта и увеличению его гигроскопичности, снижению рН солевой вытяжки, повышению содержания биодоступных фосфора, калия, углерода, азота, росту эмиссии СО2 почвой. Второй фактор соответствует площади нанесения ОСВ.
Анализ полученных в ходе исследования результатов позволяет рекомендовать ОСВ в качестве перспективного мелиоранта для ускоренного формирования устойчивого про-тивоэрозионного растительного покрова на песчаных карьерах. С учетом экономической составляющей можно рекомендовать фрагментарное нанесение ОСВ для повышения биоген-ности грунта и создания устойчивого противо-эрозионного фитоценоза на участках песчаного карьера.
Заключение. Внесение ОСВ оказало положительный эффект на физико-химические и агрохимические свойства грунта песчаного карьера, выраженное в снижении его плотности в естественном залегании, незначительном возрастании гигроскопичности, снижении рН водной и солевой вытяжек, повышении содержания доступных фосфора и калия даже по истечении шести лет депонирования.
-1
® Сорг ^ К-игр
• Эмиссия СО2
• рН Н2О
• рН ка
• р
• к
Схол
•Нхол С
Сгор •Нор
Плотность
• Влажность
Фактор 1 (60.05 °Ь) Рис.3. Диаграмма результатов факторного анализа
Таблица 5
Вклады компонентов в факторный анализ
Переменная Фактор 1 Фактор 2
Сорг, % 0,65 —0,13
Кгигр 0,81 —0,11
Эмиссия СО2, мг СО2/м2Ч 0,85 0,43
рН Н2О —0,41 0,82
рН KCl -0,93 0,07
Р, мг/кг 0,79 -0,53
K, мг/кг 0,75 0,05
Схол, мг/кг 0,82 —0,13
Nxrn, мг/кг 0,90 0,09
Сгор, мг/кг 0,60 0,24
Ni-ор, мг/кг 0,89 —0,24
Плотность, г/см3 -0,88 —0,35
Влажность, % 0,59 0,63
Средние содержания углерода в образцах грунта контрольного варианта составили 0,29 ± 0,05 %, что в три раза ниже, чем в опытном варианте с фрагментарным нанесением ОСВ и в девять раз ниже, чем в варианте со сплошным применением мелиоранта. Отмечено увеличение содержания углерода и азота в холодных и горячих вытяжках в ряду: контрольный вариант - фрагментарное нанесение мелиоранта - сплошное нанесение мелиоранта. Вместе с тем рассчитанные значения отношения C/N соответствуют очень низкому уровню обогащенности гумуса азотом.
Установлены достоверные отличия (p < 0,05) между эмиссиями СО2 в контрольном и опытных вариантах в оба периода измерений. Выявлен высокий уровень корреляции между почвенным дыханием, влажностью и содержанием углерода и азота в горячей вытяжке.
Результаты проведенного факторного анализа определили два основных фактора, обуславливающих изменение оцениваемых параметров - применение ОСВ и способ нанесения мелиоранта. При этом 60 % изменчивости физико-химических, агрохимических и лабильных почвенных параметров объясняется первым фактором.
Авторы выражают признательность сотрудникам Центра коллективного пользования ИППЭС КНЦ РАН за проведение химического анализа вытяжек и образцов, С.Э.Красавцеву и А.В. Тимохину - за помощь в отборе проб грунта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Даббаг А. Изучение свойств растений песчаных карьеров Московской области для восстановления растительности песчаных карьеров // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2018. Т. 26. № 3. С. 299-308. DOI: 10.22363/2313-2310-2018-26-3-299-308
2. Gentili R., Casati E., Ferrarlo A. et al. Vegetation cover and biodiversity levels are driven by backfilling material in quarry restoration // CATENA. 2020. Vol. 195. № 104839. DOI: 10.1016/j.catena.2020.104839
3. Мосейкин В.В., Гальперин А.М., Ермолов В.А., КруподеровВ.С. Анализ ситуации с горнопромышленными отходами (геоэкологические аспекты) // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № S1. С. 7-23.
4. Li Wang, Bin Ji, Yuehua Hu et al. A review on in situ phytoremediation of mine tailings // Chemosphere. 2017. Vol. 184. P. 594-600. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2017.06.025
5. Иванова Н.А. Биологическая рекультивация песчаных карьеров Марийского Заволжья созданием лесных культур сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.): Автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2020. 21 с.
6. Осипенко Р.А., Зарипов Ю.В., Белов Л.А., Морозов А.Е. Опыт рекультивации песчаных карьеров в северной подзоне тайги // Леса России и хозяйство в них. 2020. № 4 (75). С. 12-19. DOI: 10.51318/FRET.2020.40.90.002
7. Копцик Г.Н., Копцик С.В., Смирнова И.Е. Альтернативные технологии ремедиации техногенных пустошей в Кольской Субарктике // Почвоведение. 2016. № 11. С. 1375-1391. DOI: 10.7868/S0032180X16090082
8. Лусис А.В., Иванова Л.А., Горбачева Т.Т., Румянцева А.В. Формирование противоэрозионного растительного покрова на песчаном карьере в условиях Арктики с помощью осадка сточных вод // Горные науки и технологии. 2023. Т. 8. № 3. С. 223-231. DOI: 10.17073/2500-0632-2023-01-73
9. Garbini G.L., Caracciolo A.B., Rolando L. et al. Effects of municipal waste compost on microbial biodiversity and energy production in terrestrial microbial fuel cells // New Biotechnology. 2023. Vol. 78. P. 131-140. DOI: 10.1016/j.nbt.2023.10.009
10. Asemaninejad A., Langley S., Mackinnon T. et al. Blended municipal compost and biosolids materials for mine reclamation: Long-term field studies to explore metal mobility, soil fertility and microbial communities // Science of The Total Environment. 2021. Vol. 760. № 143393. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.143393
11. Shengguo Xue, Feng Zhu, Xiangfeng Kong et al. A review of the characterization and revegetation of bauxite residues (Red mud) // Environmental Science and Pollution Research. 2016. Vol. 23. Iss. 2. P. 1120-1132. DOI: 10.1007/s11356-015-4558-8
12. Asensio V., Covelo E.F., Kandeler E. Soil management of copper mine tailing soils - Sludge amendment and tree vegetation could improve biological soil quality // Science of The Total Environment. 2013. Vol. 456-457. P. 82-90. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2013.03.061
13. Novo L.A.B., Covelo E.F., González L. The use of waste-derived amendments to promote the growth of Indian mustard in copper mine tailings // Minerals Engineering. 2013. Vol. 53. P. 24-30. DOI: 10.1016/j.mineng.2013.07.004
14. Lingyan Zhou, Zhaolong Li, Wen Liu et al. Restoration of rare earth mine areas: organic amendments and phytoremediation // Environmental Science and Pollution Research. 2015. Vol. 22. Iss. 21. P. 17151-17160. DOI: 10.1007/s11356-015-4875-y
15. Lin Zhang, Wen Liu, Shenghong Liu et al. Revegetation of a barren rare earth mine using native plant species in reciprocal plantation: effect of phytoremediation on soil microbiological communities // Environmental Science and Pollution Research. 2020. Vol. 27. Iss. 2. P. 2107-2119. DOI: 10.1007/s11356-019-06645-2
16. КопцикГ.Н., Смирнова И.Е., Копцик С.В. и др. Эффективность ремедиации почв техногенных пустошей вблизи комбината «Североникель» на Кольском полуострове // Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение. 2015. № 2. С. 42-48.
17. Виноградов Д.В., Василева В.М., МакароваМ.П. и др. Агроэкологическое действие осадка сточных вод и его смесей с цеолитом на агроценозы масличных культур // Теоретическая и прикладная экология. 2019. № 3. С. 127-133. DOI: 10.25750/1995-4301-2019-3-127-133
18. Asensio V., VegaF.A., AndradeM.L., CoveloE.F. Technosols Made of Wastes to Improve Physico-Chemical Characteristics of a Copper Mine Soil // Pedosphere. 2013. Vol. 23. Iss. 1. P. 1-9. DOI: 10.1016/S1002-0160(12)60074-5
19. Петрова Т.А., Рудзиш Э. Рекультивация техногенно-нарушенных земель с применением осадков сточных вод в качестве мелиорантов // Записки Горного института. 2021. Т. 251. С. 767-776. DOI: 10.31897/PMI.2021.5.16
20. Пуртова Л.Н., КостенковН.М., СемальВ.А., КомачковаИ.В. Эмиссия углекислого газа из почв природных и антропогенных ландшафтов юга Приморья // Фундаментальные исследования. 2013. № 1. Ч. 3. С. 585-589.
21. Иванова Л.А., Лусис А.В., Горбачева Т.Т., Красавцева Е.А. Пора восстанавливать Арктику. Использование отходов производства и потребления региональных водопроводно-канализационных хозяйств для реабилитации нарушенных ландшафтов. Апатиты: Кольский научный центр РАН, 2023. 77 с. DOI: 10.37614/978.5.91137.494.5
22. ШмаковаН.Ю., Иванова Л.А., Ермолаева О.В., ЛусисА.В. Фотосинтетическая продуктивность искусственно созданных фитоценозов с применением осадка сточных вод // Маркшейдерия и недропользование. 2023. № 3 (125). С. 60-68. DOI: 10.56195/20793332_2023_3_60_68
23. Hamkalo Z., Bedernichek T. Total, cold and hot water extractable organic carbon in soil profile: impact of land-use change // Zemdirbyste-Agriculture. 2014. Vol. 101. № 2. P. 125-132. DOI: 10.13080/z-a.2014.101.016
24. Корнейкова М.В., Васенев В.И., Салтан Н.В. и др. Анализ эмиссии СО2 городскими почвами в условиях Крайнего Севера // Почвоведение. 2023. № 11. С. 1385-1399. DOI: 10.31857/S0032180X23600373
25. Mikha M.M., Benjamin J.G., Stahlman P. W., Geier P. W. Remediation/Restoration of Degraded Soil: I. Impact on Soil Chemical Properties // Agronomy Journal. 2014. Vol. 106. Iss. 1. P. 252-260. DOI: 10.2134/AGRONJ2013.0278
26.ХорданМ.М., БекДж., Гарсия-Санчес Э., Гарсия-Оренес Ф. Анализ объемной плотности и агрегатной устойчивости в перколяционных колоннах // Записки Горного института. 2016. Т. 222. С. 877-881. DOI: 10.18454/PMI.2016.6.877
27. MatiasekS.J., Pellerin B.A., SpencerR.G.M. etal. Water-soluble organic carbon release from mineral soils and sediments in an irrigated agricultural system // Journal of Environmental Management. 2023. Vol. 343. № 118184. DOI: 10.1016/j.jenvman.2023.118184
28. БобрикА.А. Закономерности эмиссии парниковых газов почвами северотаежных и лесотундровых экосистем Западной Сибири: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.: Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, 2016. 26 с.
29. Singh A.K., Kumar S., Kalambukattu J.G. Assessing aggregate stability of soils under various land use/land cover in a watershed of Mid-Himalayan Landscape // Eurasian Journal of Soil Science. 2019. Vol. 8. Iss. 2. P. 131-143. DOI: 10.18393/ejss.514319
30.Хлыстов И.А. Углерод и азот органических соединений почвы в условиях загрязнения выбросами медеплавильного завода // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2015. № 5. С. 17-22.
31. Seremesic S., Milosev D., Sekulic P. et al. Total and hot-water extractable carbon relationship in chernozem soil under different cropping systems and land use // Journal of Central European Agriculture. 2013. Vol. 14. Iss. 4. P. 1496-1504. DOI: 10.5513/JCEA01/14.4.1382
32. Ortner M., Seidel M., Semella S. et al. Content of soil organic carbon and labile fractions depend on local combinations of mineral-phase characteristics // SOIL. 2022. Vol. 8. Iss. 1. P. 113-131. DOI: 10.5194/soil-8-113-2022
33. Шамрикова Е.В., Кубик О.С., Денева С.В., Пунегов В.В. Состав водорастворимой фракции почв побережья Баренцева моря: органический углерод и азот, низкомолекулярные компоненты // Почвоведение. 2019. № 11. С. 1322-1338. DOI: 10.1134/S0032180X19110108
34. Карелин Д.В., Замолодчиков Д.Г., Зукерт Н.В. и др. Межгодовые изменения ФАР и влажности почвы в теплый сезон могут быть важнее для направления годового углеродного баланса в тундрах, чем колебания температуры // Журнал общей биологии. 2013. Т. 74. № 1. С. 3-22.
35. Гончарова О.Ю., Семенюк О.В., МатышакГ.В., БогатыревЛ.Г. Биологическая активность городских почв: пространственная вариабельность и определяющие факторы // Почвоведение. 2022. № 8. С. 1009-1022. DOI: 10.31857/S0032180X22080032
36.Xiaomei Chen, Muying Liu, Zhanying Xu, Hui Wei. Influences of temperature and moisture on abiotic and biotic soil CO2 emission from a subtropical forest // Carbon Balance and Management. 2021. Vol. 16. № 18. DOI: 10.1186/s13021-021-00181-8
Авторы: Л.А.Иванова, д-р биол. наук, главный научный сотрудник, ведущий научный сотрудник, https://orcid.org/0000-0002-7994-5431 (Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. НА.Аврорина КНЦРАН, Кировск, Россия; Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, Апатиты, Россия), М.В.Слуковская, канд. биол. наук, старший научный сотрудник, https://orcid.org/ 0000-0002-5406-5569 (Лаборатория природоподобных технологий и техносферной безопасности Арктики ЦНМ КНЦ РАН, Апатиты, Россия; Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья КНЦ РАН, Апатиты, Россия), Е.А.Красавцева, канд. техн. наук, научный сотрудник, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-8821-4446 (Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, Апатиты, Россия; Лаборатория природоподобных технологий и техносферной безопасности Арктики ЦНМ КНЦ РАН, Апатиты, Россия).
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
