CC BY
121
УДК 631.5.502.654(470.21)
ПРИЕМЫ АДАПТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ СОЗДАНИИ КУЛЬТУРФИТОЦЕНОЗОВ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ СУБАРКТИКИ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
В.Т. Калинников1, И.П. Кременецкая1, Л.А. Иванова2, М.В. Слуковская3, Т.Т. Горбачева4, С.А. Алексеева5, В.В. Лащук1, С.В. Дрогобужская1
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И В. Тананаева КНЦ РАН
2Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н.А. Аврорина КНЦ РАН 3Петрозаводский государственный университет 4Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН 5Г орный институт КНЦ РАН
Аннотация
Представлены результаты многолетних исследований по изучению влияния мелиорантов из горнопромышленных отходов, содержащих кислотонейтрализующие минералы, на создаваемый на них растительный покров в зоне воздействия медно-никелевого комбината на Кольском п-ове. Показано, что нанесение на поверхность техногенного грунта экранирующего слоя из мелиорантов способствует созданию благоприятной среды (оптимизации рН грунта, уменьшению мобильности тяжелых металлов и увеличению пула макроэлементов в доступных для растений формах) для ускоренного формирования устойчивых растительных сообществ на территории, подлежащей рекультивации. Искусственные фитоценозы, созданные по инновационным экспресс-биотехнологиям на мелиорантах без использования дефицитных торфо-почвенных смесей, обладают характеристиками, свидетельствующими о начале восстановительной сукцессии. Ключевые слова:
биологическая рекультивация, вермикулит, восстановительная сукцессия, злаковые растения, мелиоранты, техногенный грунт, тяжелые металлы, фитоценоз.
Введение
В условиях усиливающейся экологической напряженности все более важным направлением реализации государственной политики в области научных исследований и научного обеспечения деятельности в Арктике становится разработка комплекса мероприятий, цель которых - оздоровление окружающей среды обитания человека [1]. Специфические природно-климатические условия Арктики усугубляют воздействие антропогенных факторов [2] и выдвигают на первый план комплексное изучение ассимиляционной емкости северных экосистем, а также воздействия человека на природные сообщества, восстановление их после нарушения, создание новых искусственных биогеоценозов, синтезируемых целенаправленно.
Своеобразие миграции и поступления химических элементов в депонирующие среды арктических ландшафтов обусловлено следующими особенностями:
• наличие мощной криолитозоны, которая способствует накоплению тяжелых металлов (ТМ), переходящих в почвы и воды;
• малые количества вещества и энергии, вовлекаемые в круговорот;
• высокая скорость переноса загрязняющих веществ;
• особая восприимчивость многих видов растений к ряду химических соединений [3].
Наглядный пример проявления негативного воздействия промышленности на природу
Арктики и Субарктики под воздействием перечисленных факторов - формирование в импактных зонах предприятий цветной металлургии депрессивных территорий с высоким уровнем загрязнения тяжелыми металлами. Следствие деградации растительного покрова в результате выпадения кислотных дождей и пыли является интенсивная миграция соединений ТМ, накопленных техногенным грунтом, в объекты гидросферы [4]. Мониторинговые исследования химического загрязнения водных объектов, расположенных на территории зоны воздействия медно-никелевого предприятия, показали, что одним из способов локализации загрязнения
80
может стать создание барьеров на пути миграции токсичных компонентов путем рекультивации береговой линии водотоков (в первую очередь) и водоемов [5].
В условиях действующего предприятия создание искусственных культурфитоценозов на высоко загрязненном техногенном грунте требует особого подхода. Создание устойчиво функционирующих растительных сообществ обусловливает необходимость применения адаптивных технологий, учитывающих локальные условия их формирования. Прежде всего, следует защитить корневую систему растений от влияния токсичного грунта. Кроме того, опыт проведения рекультивации и озеленения на таких территориях показал, что привозной незагрязненный грунт, традиционно используемый для этих целей, в течение нескольких лет накапливает компоненты атмосферных выбросов и становится токсичным для растений. Данные обстоятельства свидетельствуют о необходимости нанесения на техногенный грунт слоя субстрата (мелиоранта), обладающего кислотонейтрализующими свойствами. В качестве такого материала предложено использовать горнопромышленные отходы, содержащие карбонаты и силикаты кальция и магния [6].
При проведении рекультивации помимо негативных техногенных факторов следует учитывать и особенности функционирования растительных сообществ в суровых климатических условиях циркумполярных областей. Это короткий вегетационный период, возможность резкого понижения температуры, периодический дефицит влаги в почве, отсутствие банка семян, доминирование вегетативного пути размножения местной растительности и др. Для создания благоприятных условий формирования посевных фитоценозов целесообразно применение агровермикулита. Обладая такими свойствами, как высокая воздухо- и влагоемкость и низкая теплопроводность, этот субстрат способствует созданию в среде прорастания семян режима, оптимального по температуре, аэрации и влажности, и тем самым сокращению сроков формирования создаваемого фитоценоза, что особенно важно в суровых климатических условиях северных широт [7].
С учетом совокупности перечисленных негативных факторов и возможных способов адаптации к ним растений разработана технология рекультивации техногенного грунта, включающая посев семян растений, устойчивых к воздействию аэротехногенных выбросов, на сформированное на поверхности грунта комплексное покрытие, состоящее из экранирующей подложки (мелиоранта) и слоя вермикулитового субстрата.
Исследования, выполненные коллективом сотрудников нескольких институтов Кольского научного центра РАН и Петрозаводского государственного университета, показали перспективность использования описанных выше подходов для реабилитации техногенных ландшафтов. При организационной и финансовой поддержке ОАО «Кольская ГМК» проведены укрупненные полевые испытания предлагаемой технологии. Некоторые результаты, полученные за период 2011-2013 гг., представлены в настоящей работе.
Материалы, объекты и методы исследований
Работы по рекультивации выполнены на экспериментальном участке (координаты местоположения 67°55.783’N, 32°51.535’E) в 0.7 км от источника выбросов ОАО «Кольская ГМК» (площадка Мончегорск). В 2011 г. были заложены 44 площадки размером 1x1 м. Схема опыта включала 3 опытных варианта, в которых использовались экранирующие подложки (высота слоя 5 см) из следующих мелиорантов: карбонатитовых отходов (КО), заскладированных в хвостохранилище ОАО «Ковдорский ГОК» Мурманской обл., серпентинитомагнезита (СМ) (вскрышные породы Халиловского месторождения магнезита ЗАО «Литосфера», Оренбургская обл.) и карьерного песка. В контрольном варианте внесение мелиоранта не осуществлялось.
Растительный покров формировали двумя инновационными запатентованными гидропонными экспресс-способами - настилом предварительно выращенной ковровой травяной дернины [8] и прямым посевом семян [9], основанными на комплексном использовании ковдорского вермикулита и местных популяций многолетних злаковых растений, устойчивых к северным климатическим условиям и антропогенной нагрузке [6, 10-12]. В состав травосмеси входили: пырей сизый (Agropyron intermedium (Host.) Beauv.), овсяница красная (Festuca rubra L.), райграс пастбищный (Lolium perenne L.) и тимофеевка луговая (Phleum pratense L.), взятые в соотношении 1:1:2:2 (по массе).
81
Отбор образцов травяной дернины производился методом монолитов [13]. Определяли показатели растительного покрова, наилучшим образом отражающие динамику его развития [14]. Надземные органы растений, взятые для химического анализа, отмывались от поверхностного загрязнения [15], высушивались до воздушно-сухого состояния и измельчались до размера частиц менее 1 мм [16]. Элементный анализ растений выполнялся на квадрупольном масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой ELAN-9000 DRC-e (Perkin Elmer) после кислотного автоклавного вскрытия образцов с помощью микроволновой системы MWS-4 (Berghof).
Обработка данных, расчеты и графические иллюстрации проводились с использованием специализированного программного обеспечения Microsoft Excel 2010 [17]; расчет U-критерия Манна-Уитни выполнен с помощью специального скрипта [18].
Климатические условия в период проведения исследований
Район исследования находится в центральной части Кольского п-ова, отличающейся наиболее континентальным климатом. Как и в целом для полуострова, для него характерен короткий период биологической активности - с мая по сентябрь [19], низкие среднемесячные температуры, краткость безморозного периода, возможность заморозков даже в июле [20].
В связи с этим немаловажное значение для развития растительных сообществ имеют погодные характеристики вегетационного сезона, и в первую очередь - температура воздуха и сумма осадков.
За период наблюдений средняя температура мая находилась в интервале 5.6-7.8, июня -11.0-14.4, июля - 13.0-15.6, августа - 11.4-15.2 °С. Наиболее теплыми были 2011 и 2013 гг. Относительная влажность воздуха претерпевала схожие колебания и в разные годы составляла от 64 до 80%. Вегетационный сезон 2013 г. характеризовался наибольшей засушливостью по сравнению с остальными годами: сумма осадков за 4 месяца равнялась 174 мм, тогда как в остальные годы - 240-316 мм. Наибольшее количество выпавших осадков отмечено в 2011 г., что в сочетании с высокими температурами сформировало условия, которые можно признать благоприятными для произрастания растений.
Результаты и их обсуждение
Характеристика органогенного грунта
Экспериментальный участок проблематичен для проведения рекультивационных работ: растительность на нем полностью отсутствовала, техногенный торфоподобный грунт характеризовался низким питательным статусом по P, K, Ca и Mg; содержание ТМ в доступных для растений формах превышало предельно допустимую концентрацию на два (Cu) и три (Ni) порядка [21] и составляло величину около 4-5 г/кг для меди и около 0.4 г/кг для никеля, или 30-40% от валового содержания. Сравнение значения рН водной вытяжки, которое изменяется в пределах 3.6-4.0, с условиями, благоприятными для выращивания растений (рН 6.0-6.5), свидетельствует о высокой кислотности техногенного грунта. Сопоставление с содержанием доступных компонентов в образцах стандартного грунта, используемого для выращивания растений, показало значимое (примерно в тысячу раз) превышение концентраций в техногенном грунте для Cu и Al, для Fe и S - в 30 раз, для Ni и Zn - в 10-15 раз. Содержание P, Mg, K, Ca ниже стандартного значения в 10-30 раз. Таким образом, органогенный грунт экспериментальной площадки характеризуется высоким содержанием Ni, Zn, Fe, S, экстремально высоким - Cu и Al, низким - остальных элементов [22]. По-видимому, отсутствие растительности на экспериментальной площадке - следствие высокой токсичности почвоподобного грунта.
Динамика биологического состояния культурфитоценозов
Согласно «концепции природовосстановления» [23, 24], полное восстановление экосистем на Крайнем Севере проходит в два этапа. На первом, «интенсивном» этапе, который занимает 3-5 лет, должен производиться высев семян многолетних трав, закладка минеральных удобрений, а также применяться специальные технологические приемы в зависимости от типа нарушения. К концу этапа формируется промежуточное луговое сообщество с проективным
82
покрытием не менее 70%. На втором, «ассимиляционном» этапе (20-25 лет), внесение удобрений снимается, происходит формирование зонального типа растительности в процессе восстановительной сукцессии. В 2013 году завершился третий вегетационный сезон, что дает возможность оценить результаты первого, "интенсивного" этапа рекультивации. Выполнены исследования, позволяющие судить о степени устойчивости функционирования растительных сообществ, сформированных на экспериментальных участках.
Виды растений, составляющие искусственные ценозы, находятся в количественных соотношениях, соответствующих тем или иным этапам развития, что определяет строение (структуру) ценоза. Изучение этой структуры дает основание для выяснения его показательного значения, путей улучшения, рационального размещения и использования. Основные признаки, характеризующие строение создаваемых фитоценозов, - фенологическое состояние растений, площадь покрытия, плотность, биомасса и другие биометрические показатели растительного покрова [25].
Фенологическое состояние растений
В результате ежегодных периодических наблюдений за состоянием фитоценозов, созданных в разных условиях эксперимента, выявлены разные темпы прохождения ими этапов фенологического развития. Так, к концу первого вегетационного сезона (2011 г.) большинство растений во всех вариантах опыта оставалось в вегетативном состоянии (имели по 3 настоящих зеленых листа). В то же время следующая фаза развития - кущение - отмечена в контрольном варианте и на песке только у 2% растений, а в опытных вариантах этот показатель был больше и составлял для СМ 3-11%, для КО - 5-22%. Интенсивное кущение материнского побега растений, сопровождающееся образованием многочисленных корневых отпрысков и разрастанием корневищ, а также фаза созревания семян, зафиксированы в августе 2012 г. только в опытных вариантах и лишь у отдельных особей всех 4-х популяций многолетних злаков. Отставание фенологического развития растений контрольного варианта продолжилось и в 2012-2013 гг., растительный покров здесь имел угнетенное состояние, растения в нем в 2012 г. начали погибать, а конце 2013 г. полностью погибли. В то же время в опытных вариантах виды злаковых растений в течение 3-х лет последовательно прошли все фазы онтогенеза. В сентябре 2013 г. зафиксировано массовое созревание семян всех видов злаков, входящих в травостой на мелиорантах, и несколько меньшее - на песке.
Количественные показатели роста растений
Проективное покрытие в контрольном варианте в течение трех вегетационных сезонов снизилось с 30-70% в 2011 г. до полной гибели растительного покрова (0-2%) в 2013 г.
На площадках с песком к концу третьего года этот показатель составлял 80%, тогда как вскоре после создания растительного покрова оно было практически максимальным (95%). При этом на части делянок с КО проективное покрытие увеличилось с 90% в 2011 г. до 95% в 2012 г. и 100% в 2013 г. На остальных площадках надземные части растений изначально покрывали практически весь слой мелиоранта. Итак, на площадках с мелиорантами зеленые растения на третий год занимали всю исходную площадь, проективное покрытие составляло 100%.
Изучение динамики плотности травостоя в созданных фитоценозах выявило некоторую зависимость этого показателя от проективного покрытия - варианты с меньшей плотностью травостоя характеризировались большим проективным покрытием. Так, в первый вегетационный сезон плотность травостоя (тыс. побегов/м2) составила в контроле 130-150, на площадках с песком - 100-150, на мелиорантах 90-100 (КО) и 50-70 (СМ). Вероятно, чем комфортнее субстрат для роста и развития растений (и, соответственно, выше их проективное покрытие), тем интенсивнее протекает процесс кущения отдельных особей, что влечет за собой снижение общей плотности травостоя.
С годами плотность сложения созданного растительного покрова уменьшалась: после зимы 2011/2012 гг. - в 5 раз в контрольном варианте и в 1.5-4 раза на остальных площадках; после зимы 2012/2013 гг. - в 8 раз в контроле, в 7-9 раз на мелиорантах и в 12-17 раз на песке. Следовательно, использование одинакового стартового количества семян (июнь 2011 г.) привело к формированию растительного покрова с разной плотностью травостоя,
83
зависевшей от наличия/типа минерального субстрата (данные за август 2011 и август 2012 гг.), и затем - к унификации данного показателя (август 2013 г.). Причинами уменьшения плотности травостоя в разных вариантах эксперимента стали практически противоположные процессы - выпад травостоя (в контроле и на песке) и интенсивное кущение материнских особей (на мелиорантах).
Определение биомассы растений в созданных фитоценозах показало, что на контрольных площадках она была наименьшей во все годы мониторинга. Ее резкое уменьшение (с 35 до 1-4 г/м2) зафиксировано после первой перезимовки фитоценозов. В вариантах с применением мелиорантов и песка фитомасса надземных частей растений в 2011 г. была сопоставимой; в 2012-2013 гг. фитомасса растений на площадках с песком ниже, чем на мелиорантах, она составила 250-260 и 240-310 г/м2 соответственно. В целом же в опытных вариантах отмечено увеличение фитомассы по сравнению с первым вегетационным периодом в 2-4 раза к концу летнего сезона 2012 г. и в 4-9 раз к августу 2013 г., при этом данный показатель составил 0.7-1.0 кг/м2 на СМ и около 0.9 кг/м2 на КО.
Таким образом, в опытных вариантах процесс постепенного снижения плотности травостоя на протяжении трех вегетационных периодов сопровождался увеличением массы надземных органов растений вследствие процесса интенсивного кущения растений. Напротив, в варианте с песком уменьшение плотности не повлекло за собой прироста фитомассы (рис. 1).
1,2 1
0,8 -
of
О
ы
й
О
S
EJQ
0,4 ■
Период наблюдений
и условия опытов
к 02011,на мелиорантах
л □ 2012, на мелиорантах
□ Д2013,на мелиорантах
□ 02011, без мелиорантов
'a J 5 v 1 □ 2012, без мелиорантов
К о 1 Us—cm—г- о О ? Д2013, без мелиорантов 1
50
100
150
200
Плотность раст. покров а, тыс. шт/м2
Рис. 1. Динамика плотности и биомассы растительного покрова (надземная часть)
В целом использование 4-х видов многолетних злаков для формирования культурфитоценозов на площадках, одинаковых по рельефу и влажности, но различающихся почвенными условиями, способствовало формированию растительных сообществ с диффузным (однородным) сложением и с более или менее равномерным распределением видов. Однако травостой контрольного и опытных вариантов на протяжении всего эксперимента существенно различался по высоте. В первый вегетационный сезон наименьшим ростом характеризовались растения контрольного варианта (4-5 см). Среди опытных вариантов лучшие результаты были получены на СМ, высота растений достигала 17 см, в вариантах с применением песка данный показатель составил 11-13 см. Во втором вегетационном сезоне максимальная высота травостоев увеличилась по сравнению с первым в среднем в 2.5 раза, а в июле и августе 2012 г. в течение месяца произошло ее двукратное увеличение (на 2-30 и 15-50 см на площадках без мелиорантов и с мелиорантами соответственно) (рис. 2).
Высота растений на площадках с песком к августу 2013 г. составляла 20-24 см, тогда как в вариантах с мелиорантами она была существенно выше и изменялась в интервале от 40 до 70 см. Побеги на третий год эксперимента в опытных вариантах стали выше, чем в предыдущий, на 4-18 см на СМ и на 4-11 см на КО (рис. 3). При этом во второй и третий годы сохранилась та же тенденция, что и в первый год эксперимента; соотношение между
84
показателем высоты травостоя в различных вариантах выглядит следующим образом: контроль < песок < КО < СМ.
Рис. 2. Максимальная высота растений в вегетационном сезоне 2012 г.
8
а
о
ч:
л
н
о
о
4 ■
0 Д-
0
Период наблюдений и условия опытов
□ 2012, на мелиорантах А 2013, на мелиорантах
□ 2012, без мелиорантов А 2013, без мелиорантов
20 40 60
Высота растений, см
6
2
Рис. 3. Динамика средней высоты растений и мощности дернины (окружностью выделены
данные для варианта с подложкой из песка)
Длина корней в 2011 г. зависела от варианта эксперимента, в контроле она составляла 2.0-2.5 см, на делянках с песком - 3.0—3.5 см, на мелиорантах - 4-5 см. В последующие годы длину корней не определяли из-за сильного переплетения и невозможности выделения отдельных экземпляров. Вместо этого измеряли общую мощность дернины.
В контрольном варианте корни полностью находились в слое вермикулита, поэтому мощность дернины была целиком обусловлена его толщиной и составляла 1—1.5 см. В опытных вариантах основными факторами, влияющими на развитие корневых систем и мощность дернины, оказались как толщина слоя, так и вид подложки из минерального субстрата. Мощность дернины во второй и третий вегетационный сезоны была примерно одинаковой и составляла на площадках на песке 2.5—3.5 см, на мелиорантах — 7.0—7.5 см.
Во второй вегетационный период произошло не только освоение корневыми системами растений подложек из всех типов мелиорантов, но и их частичное проникновение в техногенный грунт. Так, корни растений обнаружены в верхнем слое торфа на делянках под СМ на глубине до 2 см и под КО — до 1 см. В течение года под мелиорантами происходила постепенная
85
нейтрализация грунта и уменьшение подвижности ТМ [5], что во второй летний период привело к началу освоения исходно токсичного грунта корнями растений.
Во второй половине третьего вегетационного сезона корневые системы растений обнаружены на глубине до 3.5 см в варианте с СМ и до 1.5 см - под КО. Увеличение глубины проникновения корней на 1-2 см по сравнению с 2012 г. говорит о положительном действии используемых в эксперименте мелиорантов на торфяной грунт техногенной пустоши. В то же время на делянках с песком и в контрольном варианте проникновения корней в техногенный грунт обнаружено не было ни в один из вегетационных сезонов. На рис. 3 прослеживается взаимосвязь между высотой растений и мощностью дернины - оба показателя больше в опытных вариантах.
Не обнаружено статистически значимых различий по ^/-критерию Манна-Уитни между растительным покровом, сформированным способами прямого посева и настила ковровой травяной дернины (р < 0.05). Следовательно, способ создания фитоценоза не оказывает влияния на качество растительного покрова.
Таким образом, результаты мониторинга культурфитоценозов, сформированных на экспериментальной площадке двумя инновационными экспресс-способами биорекультивации в течение трех вегетационных периодов, продемонстрировали положительную динамику развития растительных сообществ на площадках опытных вариантов с использованием мелиорантов, что подтверждается и внешним видом экспериментальной площадки в 2011-2013 гг. (рис. 4). При оценке созданного растительного покрова выявлена зависимость исследованных параметров от типа подложки. В отличие от контрольного варианта и опытного с песком, применение 5-см слоя из карбонатитовых отходов и серпентинитомагнезита, характеризующихся высоким пулом питательных элементов, в том числе Ca и Mg, привело к постепенной нейтрализации кислотности и уменьшению подвижности ТМ в исходном техногенном грунте пустоши. В вариантах с мелиорантами создаются благоприятные условия для быстрого освоения корнями растений непосредственно самого слоя мелиорантов и верхнего (на глубину до 3.5 см) слоя техногенного грунта, который можно отнести к категории «мелиорированный», а также для ускорения роста и фенологического развития растений, формирования мощной жизненной дернины и устойчивых, способных к начальному этапу восстановительной сукцессии, растительных сообществ.
Рис. 4. Внешний вид экспериментального участка: а) июль 2011 г.; б) июль 2012 г.; в) сентябрь 2013 г.
Влияние условий формирования фитоценозов на химический состав растений
Результаты химического анализа свидетельствуют о протекании процесса накопления в надземных органах растений элементов-поллютантов (меди и никеля), концентрации которых существенно (в 1.5-2 раза) превышают пороги токсичности [26]. Концентрации соответствуют
86
интервалам 150-180 мг/кг для Ni и 190-240 мг/кг для Cu и для различных вариантов почвоподобных субстратов отличаются незначительно (рис. 5). Тот факт, что содержание ТМ в растениях не зависит от химического состава субстрата (в загрязненном органогенном грунте, т.е. в контрольном опыте, их концентрации на один-два порядка выше, чем в песке и мелиорантах) говорит о поступлении ТМ преимущественно за счет внешней абсорбции компонентов аэротехногенных выбросов [15, 27].
С (Са,Mg), г/кг
С (Ni,Cu), мг/кг г 250
■ 200
■ 150
■ 100 50 0
СМ КО
sCa И Mg Д№ □ Cu
Рис. 5. Содержание макроэлементов и тяжелых металлов в надземных органах растений
Помимо ТМ, в выбросах комбината присутствуют кальций и магний [28, 29], однако для данных компонентов наблюдается не только повышенное содержание в растениях относительно средних значений [30], но и выявлена зависимость от химического состава почвоподобного субстрата. В вариантах опытов на мелиорантах концентрации кальция и магния в растениях коррелируют с содержанием их доступной формы в минеральных субстратах (табл.), указывая на реализацию механизма корневого поглощении дополнительно к воздушному, что особенно заметно в случае использования мелиорантов с высоким пулом данных элементов.
Данные о химическом составе минеральных субстратов
Таблица
Мелиоранты Содержание компонентов в доступной для растений форме
мас.% мг/кг
Ca Mg K Na Al Fe Mn Zn Ni Cu P
СМ 0.29 2.62 10 16 2 24 159 0.8 106 0.2 15
КО 12.3 0.18 18 218 122 530 153 3 6 7 89
ВСО 1.68 0.56 245 150 84 233 82 4.9 22 17 86
Примечание. ВСО - вермикулит-сунгулитовые отходы.
Таким образом, существенное влияние на химический состав надземных органов растений оказывает как аэротехногенная нагрузка (судя по данным для меди и никеля), так и содержание элементов в мелиорантах (результаты по кальцию и магнию). Кроме того, на основании совокупности биометрических показателей и данных о содержании химических компонентов в растениях можно констатировать, что решающим фактором, влияющим на физиологическое состояние растений, является не загрязнение воздушной среды, а наличие субстрата, пригодного для развития корневых систем, что свидетельствует об оправданности применения технологии рекультивации с применением минеральных субстратов.
87
Перспективы реализации предлагаемого способа рекультивации
Положительные результаты, полученные при проведении полевого эксперимента, позволяют начать подготовку к опытно-промышленным испытаниям. Кольский полуостров является удобной площадкой для реализации предлагаемых подходов как один из наиболее урбанизированных регионов Арктической зоны Российской Федерации, на территории которого расположены горно-обогатительные и горно-металлургические предприятия различного профиля.
С одной стороны, производственная деятельность вышеупомянутых предприятий обусловливает проявление практически всех типов техногенного воздействия, в том числе образование обширных техногенных ландшафтов с высоким уровнем загрязнения ТМ. С другой стороны, разнообразие перерабатываемого на территории Мурманской обл. минерального сырья позволяет предложить различные варианты снижения такого рода экологического ущерба такого рода путем комплексного использования горнопромышленных отходов.
Анализ минерального состава геологических провинций и территориального размещения предприятий Мурманской области показал, что наиболее перспективным сырьем для получения мелиорантов являются заскладированные вермикулит-сунгулитовые отходы (ВСО) открытой добычи флогопита (ООО «Ковдорслюда», г. Ковдор). Наличие в ВСО серпентиновых минералов позволяет предложить данный материал для фиторекультивации техногенного грунта. Результаты химического анализа усредненной пробы показывают, что по содержанию доступного кальция ВСО уступают КО, а по магнию - СМ. В пересчете на концентрации, выраженные в молях, суммарное содержание кальция и магния в ВСО в 2 раза ниже, чем в СМ, и в 5 раз меньше, чем в КО. Наличие слюды обусловливает высокое содержание доступного калия в ВСО. Концентрации доступных форм остальных компонентов находятся в пределах, характерных для СМ и КО. На экспериментальной площадке в 2013 г. заложены опыты по испытанию сунгулитовых отходов в качестве нейтрализующего субстрата, получены положительные результаты, свидетельствующие о возможности применения ВСО для рекультивации токсичного грунта.
Следует отметить, что из ВСО можно выделить некондиционный вермикулитовый концентрат, пригодный для получения агровермикулита. Указанное обстоятельство дает возможность выполнить фиторекультивацию при минимальных затратах на материалы, которые необходимы для ее проведения согласно предлагаемой технологии.
Применение ВСО позволит не только изменить в лучшую сторону экологическое состояние водных и почвенных объектов техногенного ландшафта в окрестностях медноникелевого комбината. Их утилизация даст возможность высвободить площадку, отчужденную для складирования отходов, и возвратить естественный облик данной территории. Решение обозначенных проблем, помимо экологической важности, имеет и социальное значение. Известно, что освоение природных ресурсов Арктики требует развития территориальных образований и проживания в них населения на постоянной основе, а не вахтовым методом [3]. Положительным аспектом рекультивации нарушенных территорий может стать улучшение социально-психологической среды моногородов, в которых горно-металлургические и горнодобывающие предприятия являются градообразующими.
Выводы
1. Предложен способ реабилитации техногенных ландшафтов Субарктики, учитывающий распределенный характер загрязнения, а также необходимость применения специальных инновационных приемов биорекультивации из-за высокой токсичности грунта и короткого вегетационного сезона.
2. Выполнены укрупненные полевые испытания инновационного способа рекультивации техногенного грунта с высокой степенью загрязнения. Полученные в течение трех вегетационных периодов результаты позволили оценить степень устойчивости функционирования растительных сообществ, сформированных на экспериментальном участке в течение первого, "интенсивного" этапа проведенной фиторекультивации. Состояние создаваемого растительного покрова на участках с применением мелиорантов существенно
88
отличается от контрольного варианта и опытного с песком и может быть признано удовлетворительным для начального этапа восстановительной сукцессии.
3. Способы ускоренного создания высококачественного растительного покрова с проективным покрытием, близким к 100%, с использованием вермикулитового субстрата и травосмеси злаковых растений из Agropyron intermedium, Festuca rubra, Lolium perenne и Phleum pratense, предусматривающие либо интродукцию ковровой дернины на слой мелиоранта, либо прямой посев семян, можно с успехом применять в условиях продолжающейся аэротехногенной нагрузки для рекультивации закисленных и загрязненных тяжелыми металлами северных техногенных ландшафтов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Некипелов А.Д., Макоско А.А. Перспективы фундаментальных научных исследований в Арктике // Арктика: экология и экономика. 2011. № 4. С. 14-21. 2. Матишов Г.Г., Дженюк С.Л. Арктические вызовы и проблемы полярной науки // Вестник российской академии наук. 2012. Т. 82, № 10. С. 921-929. 3. Стратегия освоения и изучения минерально-сырьевых ресурсов российской Арктики и Субарктики в условиях перехода к устойчивому развитию / Д.А. Додин, В.Д. Каминский, К.К. Золоев [и др.] // Литосфера. 2010. № 6. С. 3-24. 4. Применение магнезиально-силикатного реагента для очистки от тяжелых металлов природно-антропогенных водных источников, расположенных в зоне воздействия ОАО "Кольская ГМК" (площадка Мончегорск) / И.П. Кременецкая, В.В. Лащук, Е.Ю. Волочковская [и др.] // Цветные металлы. 2012. №7. С. 35-40. 5. Комплексная технология ремедиации природно-антропогенных водных объектов Мончегорской техногенной пустоши / И.П. Кременецкая, В.В. Лащук, М.В. Слуковская [и др.] // Материалы III Всероссийской научной конференции с международным участием "Экологический риск и экологическая безопасность". Иркутск, 24-27 апреля 2012 г. Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2012. Т. 2. С. 261-263. 6. Инновационные технологии рекультивации нарушенных земель / Л.А. Иванова, Т.Т. Горбачева, М.В. Слуковская [и др.]// Экология производства. 2014. №2. С. 58-67. 7. Ускоренное формирование противоэрозионных травостоев на техногенно-нарушенных территориях: Заполярье / Л.А. Иванова, В.А. Костина, М.В. Кременецкая [и др.] // Вестник МГТУ. 2010. Т. 13, №4/2. С. 977-983. 8. Иванова Л.А., Котельников В.А. Способ создания экологически чистого покрытия и питательная среда для его выращивания: Пат. № 2393665, заявка № 2007126884, зарегестрировано в Госреестре изобретений РФ 10 июля 2010 г. РФ//20.01.2009. Бюл. №2. 9. Ivanova L.A., Kotelnikov V.A. Method for biologically recultivating industrial wastelands. Pub. No.: WO/2011/084079. Int. Appl. No.:PCT/RU2010/000001. Publ. Date: 14.07.2011. Int. Filing Date: 11.01.2010. IPC: A01B 79/02 (2006.01), A01G 1/00 (2006.01), A01G 31/00 (2006.01). 10. Святковская Е.А. Технология создания и содержания цветников и газонов в условиях Мурманской области. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2000. 27 с. 11. Рекомендации для рекультивации земель // АПК «Витус», 2012. URL: http://www.vitusltd.ru/rec-ks.html (Дата обращения 10.03.2013). 12. Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию (Официальное издание). М.: Министерство сельского хозяйства,
2013. 392 с. 13. Красильников П.В. Методика полевого изучения подземных частей растений. Л.: Наука, 1983.
208 с. 14. Воронов А.Г. Геоботаника. М.: Высшая школа, 1973. 384 с. 15. Root versus canopy uptake of heavy metals by birch in an industrially polluted area: contrasting behaviour of nickel and copper / M.V. Kozlov, E. Haukioja,
A. V. Bakhtiarov [и др.] // Environmental Pollution. 2000. Vol. 107, Issue 3. P. 413-420. 16. Практикум по агрохимии /
B. Г. Минеев, В.Г. Сычев, O.A. Амельянчик[и др.]. 2-е изд.: учебное пособие. M.: Изд-во МГУ. 2001. 689 c.
17. Ивантер Э.В., Коросов А.В. Элементарная биометрия: учебное пособие. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2005. 104 с. 18. Математические методы обработки данных. Режим доступа: http://www.psychol-ok.ru/library.html#mat (дата обращения 26.09.2013). 19. Никонов В.В., Лукина Н.В. Биогеохимические функции лесов на северном пределе распространения. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1994. 315 с. 20. Зюзин Ю.Л. Суровый лик Хибин. Мурманск: Рекламная полиграфия, 2006. 236 с. 21. Применение карбонатитового мелиоранта для биорекультивации техногенно загрязненного грунта в зоне воздействия медно-никелевого комбината / М.В. Слуковская,
Л.А. Иванова, Т.Т. Горбачева [и др.]// Труды Карельского научного центра. 2013. №6. С. 133-142. 22. Слуковская М.В. Экологическое обоснование использования минеральных субстратов для фиторекультивации техногенной пустоши в условиях Субарктики: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Петрозаводск. 2013. 23 с. 23. Лиханова И.А., Арчегова И.Б., Хабибуллина Ф.М. Восстановление лесных экосистем на техногенно нарушенных территориях Севера. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. 104 с. 24. Арчегова И.Б., Лиханова И.А. Проблема биологической рекультивации и ее решение на европейском северо-востоке на примере республики Коми // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2012. Выпуск 1(9). С. 29-34. 25. Шенников А.П. Введение в геоботанику. Л.: Изд-во ЛГУ, 1964. 447 с. 26. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с. 27. Устойчивость растений к тяжелым металлам / А.Ф. Титов, В.В. Таланова, Н.М. Казнина [и др.]; отв. ред.
Н.Н. Немова. Петрозаводск: Изд-во Карельского научного центра РАН, 2007. 172 с. 28. Кашулина Г.М.,
Салтан Н.В. Химический состав растений в экстремальных условиях локальной зоны комбината «Североникель». Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2008. 239 с. 29. Евдокимова Г.А. Эколого-микробиологические основы охраны почв Крайнего Севера. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1995. 272 с. 30. Якушкина Н.И., Бахтенко Е.Ю. Онлайн-энциклопедия по физиологии растений. Режим доступа: http://fizrast.ru (дата обращения 12.10.2012).
Сведения об авторах
Калинников Владимир Трофимович - д.х.н., академик, директор Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН; e-mail: [email protected]
89
Кременецкая Ирина Петровна - к.т.н., старший научный сотрудник; e-mail: [email protected]
Иванова Любовь Андреевна - д.б.н., зав. лабораторий; e-mail: [email protected] Слуковская Марина Вячеславовна - к.б.н., младший научный сотрудник; e-mail: [email protected]
Горбачева Тамара Тимофеевна - к.б.н., ведущий научный сотрудник; e-mail: [email protected]
Алексеева Светлана Александровна - научный сотрудник; e-mail: [email protected] Лащук Владимир Владимирович - к.т.н., старший научный сотрудник; e-mail: l [email protected] .net.ru
Дрогобужская Светлана Витальевна - к.х.н., старший научный сотрудник; e-mail: drogo_sv@chemy. kolasc.net.ru 90
90
