CC BY
2
УДК 631.4
РЕМЕДИАЦИЯ НАРУШЕННОЙ ОТКРЫТЫМИ ГОРНЫМИ РАБОТАМИ ПОЧВЫ С ПОМОЩЬЮ БИОУГЛЯ
Л.Э. Шейнкман, М.С. Ивлиева
Почвы в районах добычи полезных ископаемых сильно нарушены и подвержены деградации четырех типов: химической, физической, биологической, экологической. Анализ почвенного образца показал, что такие агрохимические показатели дерново-подзолистой почвы как рН, массовая доля органического вещества, натрий алюминий изменены, по сравнению с оптимальными параметрами. Предложен метод восстановления качества почвы - внесение биоугля. Многочисленные исследования доказали хорошую эффективность благоприятного воздействия. Он повышает содержание органического вещества в почве, восстанавливает микроклимат почвы, структуру, общую минерализацию. Эксперимент по внесению биоугля в почву, нарушенную открытыми горными работами показал, что его внесение поспособствовало увеличению углерода, азота, фосфора, калия, снижению рН. В заключении отмечается проблема дороговизны применения биоугля в крупных масштабах. В регионе исследования в перспективе она должна разрешиться, так как в Тульской области уже внедрен проект по строительству новой установки по изготовлению биоугля из отходов древесных остатков. Таким образом, бущие исследования должны быть сосредоточены на долгосрочном применении биоугля и дальнейшем анализе физико-химических параметров, мониторинге экосистем в целом.
Ключевые слова: биоуголь, деградация, органическое вещество, открытые горные работы, отходы, углерод.
Горные работы разрушают естественное состояние плодородного слоя почвы. Так как в районе исследования добывают известняк, то основная масса выбросов, поступающая в атмосферу, состоит из неорганческой пыли до 20 % БЮ2 и нерганической пыли 70... 20 % БЮ2 известняка. Распространяясь на обширные расстояния и в глубину, мелкодисперсная пыль очень легко мигрирует. Поступающие загрязняющие вещества проникают вглубь почвы, ускоряя деградацию. Создаются такие условия, когда азотистые соединения не могут образовываться, а минеральная часть почвы разлагаться.
Для восстановления окружающей территории и использования для различных нужд предложен один из методов биоремедиации - восстановление почвы с помощью биоугля. Его внесение поможет повысить не только агрохимические показатели качества почвы, но и восстановить химическую, физическую, биологическую и экологическую функциональность, повлиять на микроклимат почвы, изменить структуру микробиологических сообществ [1] (рис. 1).
Рис. 1. Типы почвенной деградации
Цель исследования - выявить изменения почвенных показателей в районе ведения открытых горных работ по добыче известняка после применения биоугля. Для этого были поставлены следующие задачи: выявить важные свойства биоугля, влияющие на плодородие, проследить изменения рН почвы до и после внесения биоугля.
Биоуголь - это материал с большой долей содержания углерода, получаемый из древесины либо из органических отходов путем пиролиза при температуре от 300 до 700 °С в условиях ограниченного доступа кислорода. Пиролиз подразделяется на быстрый, промежуточный и медленный [7]. Не исключение также получение биоугля с помощью гидротермальной карбонизации и газификации путем ароматической конденсации [4]. Тип исходного сырья, способ производства и температура являются ключевыми факторами, определяющие физико-химические характеристики биоугля. Температура пиролиза влияет на рН, катионно-объемную емкость и содержание углерода [6].
Высокотемпературные (выше 550 °С) биоугли более конденсированные полиароматические структуры и имеют значительно более высокий рН, и, следовательно, являются очень хорошими адсорбентами. Биоугли, полученные низкотемпературным пиролизом (меньше 550 °С), имеют более высокую концентрацию подвижного органического вещества и больше подходят для внесения удобрений в почвы с дефицитом питательных веществ. Следовательно, направление использования биоугля может варьироваться, в зависимости от того, какой результат необходимо получить.
Для отбора почвенных проб и для проведения эколого-биологического анализа пробные площадки отбирались вблизи карьера и на расстояниях 100, 200, 300, 500 м. Образец почвы мониторинговой площадки отбирался и
подготавливался для химического анализа в соответствии с требованиями ГОСТа 17.4.4.02-84. Показатель рН солевой вытяжки определялся согласно ГОСТ 26483-85 потенциометрическим методом, массовая доля органического вещества - ГОСТ 26213-91, натрий - ГОСТ 26950-86, алюминий - ГОСТ 26485-85. Данные лабораторных измерений внесены в табл. 1.
Таблица 1
Агрохимические показатели дерново-подзолистой почвы Заокскогорайона Тульской области
№ п/п Показатели испытаний Фактические данные
1 рН солевой вытяжки, ед. рН 6,3±1
2 Массовая доля органического вещества, % 2,0±0,4
3 Натрий (подвижная форма), мг/кг 42,0±18,5
4 Алюминий, мг/кг 35,0±14,7
Изменение рН среды в разрезе почвенного слоя на различном расстоянии от карьера представлены в табл. 2 [2].
Таблица 2
Изменение рН среды в разрезе почвенного слоя
№ п/п Расстояние от источника рН на глубине 5 см рН на глубине 10 см рН на глубине 15 см
1 100 м 8,77 7,76 7,46
2 200 м 8,13 7,52 7,40
3 300 м 7,88 7,19 7,12
4 500 м 7,46 7,04 7,01
Для проведения ремедиации использовался биоуголь в форме гранул, состоящий из 100 % растительной биомассы производства ООО «Энерголес-пром», полученный быстрым пиролизом в результате термической переработки в бескислородной среде. Спустя полгода внесения биоугля произошли следующие изменения: внесение биоугля в радиусе 200 метров в количестве 13 тонн/га-1 за полгода уже показало следующие результаты: увеличение ор-
ганического вещества на 85.. .90 %, среднее уменьшение рН среды на 0,5. Результаты показаны в табл. 3 [9].
Таблица 3
Результаты исследований по внесению биоугля
№ п/п Показатели испытаний Результаты
1 Массовая доля органического вещества, % 10
2 рН на глубине 5 см (расстояние 200 м) 7,63
3 рН на глубине 10 см (расстояние 200 м) 7,20
4 рН на глубине 15 см (расстояние 200 м) 6,9
В районе исследования рН почвы имеет показатель от 7,01 до 8,77, что относится к слабощелочной среде. Внесение биоугля повышает щелочность в верхних слоях почвы на глубине 5 - 10 см. Таким образом, биоуголь эффективен в поддержании оптимального уровня рН почвы.
Как показывают многочисленные исследования, биоуголь почти не поддается почвенному разрушению, является предпочтительным субстратом для жизнедеятельности микроорганизмов. Для биоугля характерна высокая емкость катионного обмена и сорбционная способность с различными функциональными группами, в основном отрицательно заряженными. [11] Благодаря этому, биоуголь способен снижать эмиссию парниковых газов.
Биоуголь, полученный из переработанных отходов древесных остатков, имеет высокое содержание влаги, которое колеблется от 30 до 70%. Большая часть её выделяется в виде свободной воды, которая быстро испаряется в сухих условиях, оставляя гигроскопичную воду. Такие биоугли их отходов имеют высокий состав гуминовых (10.90 % по массе) и фульвокис-лот. Высокие гидрофобные взаимодействия между гуминовыми молекулами и органическими соединениями объясняют биорезистентность. По исследованиям установлено, что биоуголь состоит на 52,3 % из алифатического и 42,2 % из ароматического углерода. Ароматический характер соединения подразумевает высокий уровень стойкости, что, возможно, связано с присущим биоуглю высоким содержанием гуминовых кислот [10].
Биоуголь взаимодействует с тяжелыми металлами посредством адсорбции подвижных частиц металлов на поверхности, образуя стабильные органо-металлорганические комплексы. Вследствие этого биоуголь посредством многослойной адсорбции не дает проникновения тяжелых металлов в растения, ограничивая их дальнейшую транслокацию (рис. 2) [8].
Механизмы образования органо-минеральньк комплексов
Рис. 2. Иммобилизация органических загрязнителей в почве
Существенные изменения почвенных показателей требуют долгосрочных экспериментов на протяжении десятка лет. Ещё одной проблемой использования биоугля является его дороговизна [5]. Так, средняя стоимость на рыке биоугля составляет 500 долларов США/тонна, что определяется в основном затратами на его производство [3]. Конкретно для данного объекта, расположенного в Тульской области, предлагается для постоянного использования биоуголь из Узловского района ОЭЗ «Узловая», которая в настоящий момент внедряет проект по производству биоугля и запускает первые установки. В качестве сырья там будут использоваться древесные отходы и продукты санитарной вырубки леса Тульской области. Основной продукцией станут материалы на основе биоугля: кормовые добавки для животноводства, уголь для фармацевтической промышленности, уголь для металлургических предприятий, в том числе и добавки для восстановления почв, биоуголь пре-миум-класса. Транспортная доступность позволяет экономически выгодно использовать биоуголь для восстановления территории, нарушенной открытыми горными работами, а именно добычей известняка.
Биоуголь, выступаемый и роли структуратора, удобрения, рекультиватора представляет интерес с научной и практической точек зрения. Он представляет собой перспективную возможность для преодоления разрыва между переработкой биоотходов и применением в сельском хозяйстве, иллюстрирую настоящую «экономику замкнутого цикла».
Список литературы
1. Alam A. Soil degradation: a challenge to sustainable agriculture // Int. J. Scientific Res. Agric. Sci. 2014. 1 (4). 50-55. https://doi.org/10.12983/ijsras-2014-p0050-0055.
2. Антоненко Н.А., Дергунов Д.В., Шейнкман Л.Э. Исследование влияния известняковой мелкодисперсной пыли, образующейся при открытых горных работах на свойства почв // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2017. Вып. 2. С. 3-17.
3. Insight into biochar properties and its cost analysis / M.B. Ahmed, J.L. Zhou, H.H. Ngo, W. Guo // Biomass Bioenergy. 2016. 84. 76-86. https://doi.org/ 10.1016/j. biombioe.2015.11.002.
4. Assessing the influence of compost and biochar amendments on the mobility and toxicity of metals and arsenic in a naturally contaminated mine soil / L. Beesley [and other] // Env. Pollut. 2014. 186. 195-202. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2013.11.026.
5. The long-term role of organic amendments in building soil nutrient fertility: a meta-analysis and review / Y. Chen [and other] // Nutr. Cycl. Agroecosyst. 2018. 111. 103-125. https://doi.org/10.1007/s10705-017-9903-5.
6. Benefits and lim- itations of biochar amendment in agricultural soils / B. Kavitha [and other] // A review. J. Environ. Manag. 227. 2018. 146-154. https://doi.org/10.1016/jjenvman.2018.08.082.
7. Biochar effects on soil biota - a review / J. Lehmann [and other] // Soil Biol. Biochem. 43 (9). 2011. 1812-1836. https://doi.org/ 10.1016/j. soilbio .2011.04.022.
8. Effects of biochar addition on toxic element con- centrations in plants: a meta-analysis / X. Peng, Y. Deng, Y. Peng, Y. Kai. // Sci. Total Environ. 616-617. 2018. 970-977. https:// doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.10.222.
9. Digging deeper: understanding the contribution of subsoil carbon for climate mitigation, a case study of Ireland / I.J. Simo, R. Schulte, L. O'Sullivan, R. Creamer // Environ. Sci. Pol. 98. 2019. 61-69. https://doi.org/10.1016/ j.envsci. 2019.05.004.
10. A review of biochar and its use and func- tion in soil / S.P. Sohi, E. Krull, E. Lopez-Capel, R. Bol // Adv. Agron. 2010. 105. 47-82.
11. Fischer D., Glaser B. Synergisms between compost and biochar for sustainable soil amelioration // Management of Organic Waste. InTech, Rijeka, Croatia, 2012. P. 167-198.
Шейнкман Леонид Элярдович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ивлиева Маргарита Сергеевна, асп., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
REMEDIATION OF SOIL DISTURBED BY OPEN-PIT MINING WITH THE HELP
OF BIO-COAL
L.E. Sheinkman, M.S. Ivlieva
Soils in mining areas are severely disturbed and subject to four types of degradation: chemical, physical, biological, and environmental. Analysis of the soil sample showed that such agrochemical indicators of soddy-podzolic soil as pH, mass fraction of organic matter, sodium aluminum changed compared to the optimal parameters. A method of restoring the quality of the soil is proposed - the introduction of biochar. Numerous studies have proven the good efficacy of beneficial effects. It increases the content of organic matter in the soil, restores the soil microclimate, structure, and general mineralization. An experiment on the introduction of biochar into soil disturbed by open-pit mining showed that its introduction contributed to an increase in carbon, nitrogen, phosphorus, potassium, and a decrease in pH. In conclusion, the problem of the high cost of using biochar on a large scale is noted. In the study region, in the future, it should be resolved, since a project has already been implemented in the Tula region for the construction of a new plant for the production of biochar from waste wood residues. Thus, future research should focus on the long-term use of biochar and further analysis of physico-chemical parameters, monitoring of ecosystems as a whole.
Key words: biochar, degradation, organic matter, open pit mining, waste, carbon.
Leonid Elyardovich Sheinkman, doctor of technical sciences, prof., [email protected] , Russia, Tula, Tula State University,
Ivlieva Margarita Sergeevna, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Alam A. Soil degradation: a challenge to sustainable agriculture // Int. J. Scientific Res. Agricultural industry. The science. 2014. 1 (4). 50-55.
https://doi.org/10.12983/ijsras-2014-p0050-0055 2. Antonenko N.A., Dergunov D.V., Sheinkman L.E. Investigation of the influence of limestone fine dust formed during open-pit mining on soil properties // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2017. Issue. 2. pp. 3-17.
3. Understanding the properties of bio-coal and analyzing its cost / M.B. Ahmed, J.L. Zhou, H.H. Ngo, U. Guo // Bioenergetics of biomass. 2016. 84. 76-86. https://doi.org/10.1016/j . biombioe.2015.11.002.
4. Assessment of the effect of compost and bio-coal additives on the mobility and toxicity of metals and arsenic in naturally polluted mine soil / L. Beasley [and others] // Env. Pollut. 2014. 186. 195-202. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2013.11.026 .
5. The long-term role of organic additives in increasing soil fertility by nutrients: meta-analysis and review / Yu. Chen [et al.] // Nutr. Cycle. Agroecosystem. 2018. 111. 103-125.
https://doi.org/10.1007/s10705-017-9903-5 .
6. Advantages and limitations of introducing biochar into agricultural soils / B. Kavita [and others] // Review. J. Environ. Manag. 227. 2018. 146-154. https://doi.org/10.1016/jjenvman.2018.08.082 .
7. The impact of biochar on soil biota - review / J. Lehmann [et al.] // Soil biol. Biochemistry. 43 (9). 2011. 1812-1836. https://doi.org / 10.1016/J.soilbio.2011.04.022.
8. The effect of adding bio-coal on the concentration of toxic elements in plants: metaanalysis / X. Peng, Y. Deng, Y. Peng, Y. Kai. // Science. General environment. 616-617. 2018. 970-977. https:// doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.10.222.
9. Digging deeper: understanding the contribution of carbon from the subsurface to climate change mitigation on the example of Ireland / I.J. Simo, R. Schulte, L. O'Sullivan, R. Creamer // Environ. Sci. Pol. 98. 2019. 61-69. https://doi.org/10.1016 / j. envsci. 2019.05.004.
10. Review of bio-coal, its use and functions in the soil / S.P. Sokhi, E. Krull, E. Lopez-Capel, R. Bol // Adv. Agron. 2010. 105. 47-82.
11. Fischer D., Glazer B. Synergy between compost and bio-coal for sustainable soil reclamation // In: Kumar S., Bharti A. (ed.), Organic waste management. InTech, Rijeka, Croatia, 2012. pp. 167-198.
УДК 911.5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТУРИСТСКО-РЕКРЕАЦИОННОГО ПОТЕНЦИАЛА МЕТОДОМ ЛАНДШАФТНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ (на примере Губинского района)
З.Т. Имрани, С.Т. Кязимова
Ландшафтное планирование - это непрерывный процесс эффективного использования земель без разрушения природных и культурных ресурсов. Его целью является сохранение разнообразия ландшафтов, удовлетворение культурных и эстетических потребностей людей, стимулирование социально-экономического развития и создание здоровой среды для других форм жизни. В связи с этим ландшафтное планирование считается прикладным направлением ланд-шафтоведения, определяемым принципами устойчивого землепользования и охраны природы. Нами проведена оценка потенциала туризма и отдыха в Губинском районе на основе ландшафтного планирования. В ходе работ использовались методы экстраполяции (исторический ход изменения по отношению к будущему), географической аналогии (сходство ландшафтов) и прогнозирования (взаимосвязь). На основе применения методов ландшафтного планирования с учетом устойчивой иерархии туризма в Губинском районе и ландшафтного дизайна удалось определить туристско-рекреационный потенциал территории.
Ключевые слова: ландшафт, ландшафтное планирование, природные ресурсы, туризм, туристско-рекреационный.
Введение. В 1-й половине XIX в. некоторыми исследователями была выдвинута идея, что ландшафтоведение стало основой для создания новой синтетической географии. Предпосылками возникновения данного
