способ биологической рекультивации техногенно-нарушенных земель

Формула изобретения

1. Способ биологической рекультивации техногенно-нарушенных земель, включающий посев многолетних трав с внесением минеральных удобрений, отличающийся тем, что на грунт слоем до 1 см рассыпают вермикулитовый субстрат с гранулами до 2-4 мм и рН от 6,5 до 7,2, по поверхности субстрата высевают семена трав и производят их полив водным раствором минеральных удобрений, затем поверхность субстрата укрывают полимерной пленкой, которую удаляют на 5-7-й день.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вермикулитовый субстрат представляет собой вспученный вермикулит с рН от 6,5 до 7,2, полученный методом высокотемпературного обжига при температуре до 850°С с регулированием скорости и температуры обжига, содержащий, масс.%:

окись кремния (SiO2)	34,0-36,6
окись железа (Fe 2O3)	5,6-6,5
окись алюминия (Al2O3 )	9,1-9,9
окись магния (MgO)	24,7-26,6
окись железа (FeO)	0,20-0,27
окись титана (TiO2)	0,40-0,47
окись кальция (СаО)	1,02-1,22
марганец (Mn)	0,05-0,07
окись калия (K2O)	0,70-0,87

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед нанесением слоя вермикулитового субстрата на сильно уплотненный грунт производят его рыхление.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам биологической рекультивации нарушенных земель и может быть использовано как для восстановления земель, нарушенных в результате разработки полезных ископаемых, так и для закрепления пылящих поверхностей отвалов, хвостохранилищ.

Известны способы рекультивации земель (патенты РФ на изобретения № № 2336684, 2338355, 2321979, 2101901 и др.), включающие формирование почвенного слоя с внесением минеральных или органоминеральных удобрений и последующим посевом семян различных растений. Их недостатками являются необходимость не только внесения удобрений и смеси трав, но и вспашку земель, что трудоемко и зачастую невозможно для закрепления пылящих поверхностей отвалов, хвостохранилищ.

Известны различные составы или композиции для рекультивации земель, включающие различные органоминеральные добавки и сорбенты (патенты на изобретения РФ № № 1730742, 2193590, 2277326, 2293103 и др.), например торфо-песчаную смесь, сапропель, алюминиевую пудру, лигнин и т.д., получаемые из отходов местных производств. Известно использование вспученного вермикулита в качестве добавок для грунтов и почв в количестве от 25 до 70% для улучшения их состава и повышения урожайности культур, а также в почвосмесях, состоящих из вермикулита с торфом в соотношении 1:1 или вермикулита с грунтом или почвой в соотношении 1:2. Недостатками производимого при температурах 850-1000°С вспученного вермикулита, не позволяющими использовать его в качестве чистого субстрата, является его высокая щелочность, а также частично разрушенная кристаллическая решетка, не несущая достаточного количества воздуха и при поливе водой выделяющая подщелачивающий магний, что не позволяет поддерживать заданный уровень рН.

Известен способ рекультивации посттехногенных и отдаленных территорий на Крайнем Севере (патент на изобретение РФ № 2093974 от 09.11.1995 г.), включающий внесение гранулированного удобрительно-посевного материала, полученного микробиологической трансформацией смеси лигнин-опилки-птичий помет, обогащенного минеральными удобрениями, в который добавлены семена многолетних трав местных видов. Недостатком заявляемого способа является сложность изготовления гранулированного материала.

Наиболее близким является способ восстановления нарушенных земель по патенту РФ на изобретение № 2030851 от 10.07.92 г., включающий посев многолетних трав с внесением минеральных удобрений и последующую обработку почвы связующим составом - водной эмульсией латекса. Латексное полимерное покрытие защищает семена, находящиеся на поверхности, от неблагоприятных воздействий среды и обеспечивает возможность их роста и укоренения в экстремальных гидротермических условиях. Появление всходов - через 10-15 дней. Долговременность покрытия - 5 лет. Недостатком способа является также использование техники и механизмов для нанесения (разбрызгивания) водного раствора эмульсии латекса, для эксплуатации которой необходимо наличие сети дорог, подходов и подъездов, как следствие - невозможность охватить труднодоступные участки техногенно-нарушенных территорий.

Заявляемое изобретение так же, как и известные, включает посев многолетних трав с внесением минеральных удобрений.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании качественного посевного культурфитоценоза в короткие сроки, в том числе в районах Крайнего Севера.

Технический результат заключается в повышении эффективности формирования посевных культурфитоценозов и их долговременности, в инициации процессов прорастания семян и дальнейшего роста и развития травянистых растений и снижении тем самым сроков формирования культурфитоценозов до 7-10 дней, в снижении трудоемкости технических и биологических работ по рекультивации.

Достигается технический результат тем, что на грунт слоем до 1 см рассыпают вермикулитовый субстрат с гранулами до 2-4 мм и рН от 6,5 до 7,2, по поверхности субстрата высевают семена трав и производят их полив водным раствором минеральных удобрений, затем поверхность субстрата укрывают полимерной пленкой, которую удаляют на 5-7-й день. При сильном уплотнении поверхностного слоя нарушенных земель перед нанесением слоя субстрата может быть произведено рыхление грунта.

Использование в качестве вермикулитового субстрата вспученного вермикулита, полученного методом высокотемпературного обжига при температуре до 850°С с регулированием скорости и температуры обжига, содержащего, масс.%:

окись кремния (SiO2)	34,0-36,6
окись железа (Fe 2O3)	5,6-6,5
окись алюминия (Al2O3 )	9,1-9,9
окись магния (MgO)	24,7-26,6
окись железа (FeO)	0,20-0,27
окись титана (TiO2)	0,40-0,47
окись кальция (СаО)	1,02-1,22
марганец (Mn)	0,05-0,07
окись калия (К2О)	0,70-0,87

обеспечивает нейтральную или слабощелочную щелочность вермикулита - рН от 6,5 до 7,2, что позволяет использовать его в качестве экологически чистого субстрата, способного поддерживать заданный уровень рН и создавать различные типы культурфитоценозов за счет возможности подбора и использования различных видов травянистых растений. Субстрат является самостоятельным носителем ценных макро- и микроэлементов, что увеличивает долговременность травяного покрытия.

Нанесение на грунт слоем до 1 см вермикулитового субстрата с гранулами до 2-4 мм и рН от 6,5 до 7,2, посев по поверхности субстрата семян трав и их полив водным раствором минеральных удобрений обеспечивает оптимальные условия (большое количество влаги, воздуха, питательных веществ), необходимые для инициации процессов прорастания семян и дальнейшего роста и развития травянистых растений, снижая тем самым сроки формирования культурфитоценозов до 7-10 дней, способствуют формированию мощного дернового пласта высотой 40 см и более и увеличению долговременности травяного покрытия. Возможность применения для рекультивации нарушенных земель вспученного вермикулита в качестве субстрата с нейтральной или слабой щелочностью обеспечивает возможность посева различных видов травянистых растений, предохраняет их от вымерзания в сильные морозы благодаря хорошим теплоизоляционным свойствам, а также снижает трудоемкость технических работ по рекультивации вследствие малого веса субстрата.

Укрытие поверхности субстрата полимерной (полиэтиленовой, например) пленкой сохраняет температуру и влагу субстрата с семенами в начальный, стартовый период прорастания семян и роста проростков, что также обеспечивает инициацию процессов прорастания семян, снижая тем самым сроки формирования культурфитоценозов до 7-10 дней.

Рыхление грунта перед нанесением слоя субстрата (при сильном уплотнении поверхностного слоя нарушенных земель) обеспечивает лучшее проникновение в грунт корней проросших растений и закрепление субстрата на поверхности рекультивируемых территорий.

Совокупность вышеуказанных отличительных признаков, вместе взятых, обеспечивает получение заявляемых технических результатов.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Участок, на котором планируется создание растительного покрова (культурфитоценоза), очищается от мусора. В случае сильного уплотнения поверхности участка рекультивации она слегка (на глубину 2-5 см) рыхлится, например, граблями. Вермикулитовый субстрат рассыпается по поверхности участка слоем 1 см вручную или специальными устройствами, например разбрасывателями твердых удобрений. Семена травянистых растений высеваются вручную или сеялками по поверхности вермикулитового субстрата ровным слоем без пропусков (норма высева семян зависит от вида растений, качества, товарной всхожести семян и планируемой плотности будущего травостоя). Готовится 0,2%-ый водный раствор комплексных минеральных удобрений, например выпускаемых промышленностью азотно-фосфатно-калийных удобрений «Азофоска» - норма 20 г/л воды, к которым добавлены микроэлементы, например таблетированные микроудобрения «Эффект-NPK» или «Унифлор-микро», норма их внесения - 1 таблетка на 10 л раствора «Азофоски». Можно приготовить концентрированный раствор микроудобрений из минеральных солей, г/1 л воды: борная кислота - 19,6, кобальт азотнокислый - 1,0, цинк сернокислый, аммоний молибденовокислый, медь сернокислая - по 1,4, серная кислота (концентрированная) - 6,0 мл. На 10 л приготовленного раствора «Азофоски» следует брать 1,4 мл концентрированного раствора микроудобрений.

Приготовление сильно концентрированного раствора полной минеральной смеси производят, например, в любом удобном для этого помещении, а на месте рекультивации его разбавляют водой до нужной концентрации, что облегчает транспортировку раствора удобрений. Семена и субстрат смачиваются раствором приготовленных удобрений из расчета 5 л раствора/м² с помощью лейки или шланга с распылителем. Посевы сверху по высеянным семенам укрываются полиэтиленовой пленкой для защиты от влияния неблагоприятных внешних факторов (ветра, осадков, низких температур, механических и химических воздействий). По периметру пленка прижимается подручными средствами (камнями, досками и т.п.). В таком положении посевы оставляют на 4-6 дней, на пятый - седьмой день, с появлением массовых зеленых всходов, пленку снимают и больше не используют.

Для ускоренного формирования культурфитоценоза необходимо инициировать не только процесс прорастания семян, но и рост и развитие проростков, защитить их от губительного влияния внешних условий (засухи, ливня, холода, вредных микроорганизмов и вредителей), а также добиться интенсивного (тоже стремительного) роста и развития травянистых растений в течение последующих этапов их развития в культурфитоценозе. Для этого жизненно необходимы, причем в нелимитирующих и оптимальных количествах, вода, 0₂ , благоприятные температура и уровень рН (кислотность среды), наличие питательных веществ. Это можно обеспечить только посевом семян в субстрат, обладающий высокими влаго-, воздухоемкостью, стерильностью, буферностью, богатый питательными веществами. Субстрат должен обеспечивать всеми этими условиями растения в течение определенного времени (пока семена проклевывается - 2-3 дня, пока корешок закрепится в субстрате - еще 1-2 дня, пока всходы разовьют свои корешки и внедрятся в грунт - еще 2-3 дня, и пока маленькое растение окрепнет, сформирует 1-2 настоящих зеленых листочка). Он должен быть способным удерживать большое количество доступной воды, воздуха, противостоять перепадам температур, поддерживающим требуемый уровень кислотности (в кислой среде с рН ниже 3,5 и щелочной с рН выше 8,0 большинство семян не прорастают) и стерильным, чтобы защитить проклюнувшиеся семена и молодые всходы от патогенной микрофлоры. Таким условиям отвечает вермикулитовый субстрат с гранулами до 2-4 мм и рН от 6,5 до 7,2, полученный методом высокотемпературного электрообжига при температуре до 850°С с регулированием скорости и температуры обжига - почвозаменитель из природного минерала вермикулита, который, обладая рядом полезных свойств (стерильность, высокие влаго- и воздухоемкость, буферность, оптимальные сорбционные и ионообменные свойства), даже в условиях северных широт способствует созданию биологически активного, почвоподобного тела, оптимальных водно-воздушного, температурного и питательного режимов, обусловливающих высокие темпы прорастания семян (независимо от вида растений в течение 4-5 дней), дальнейшего роста и развития растений на всех этапах онтогенеза. В результате получение высококачественных, устойчивых к неблагоприятным факторам окружающей среды фитоценозов широкого спектра назначения стало возможным в короткие сроки - за 7-10 дней.

Способ был апробирован в Карелии и Мурманской области. Он показал высокую эффективность при создании растительного покрова на апатитонефелиновом хвостохранилище, на техногенной пустоши в Мончегорском районе, а также на почвах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Универсальность применения заявляемого способа обеспечивается не только за счет того, что вспученный вермикулит является активным поглотителем (сорбентом) химических соединений, ионов тяжелых металлов и радионуклидов, но в основном за счет образования на сильно загрязненных участках грунта почвоподобного слоя, благодаря которому растения созданного покрова могут расти и развиваться в течение длительного срока. Этот слой вермикулита защищает и посеянные семена, и выращенные из них растения от влияния этих загрязнителей.

Промышленная применимость способа поясняется на примерах.

Пример 1. В 2006-2009 гг. на территории резервного апатитонефелинового хвостохранилища АНОФ-2 ОАО «Апатит» проведены исследования способа ускоренного формирования противоэрозионного культурфитоценоза. Песчаные отвалы данного хвостохранилища отличаются невысоким видовым разнообразием растений: 21 вид (2,2% от местной флоры). Естественные процессы развития фитоценозов здесь слабо выражены, зарастание территории протекает медленно. Большинство аборигенных видов характеризуется низкими жизненностью, плотностью, площадью покрытия и противоэрозионными функциями; к эдификаторам естественных фитоценозов могут быть отнесены Leymus arenarius и Puccinella distans, имеющие перспективы для самостоятельного расселения и мелиорации нефелиновых песков.

Формирование культурфитоценоза производилось горизонтальными зигзагообразными шевронами произвольной длины, шириной и интервалом по 0,5 м. Это позволяет конструировать примитивные (состоящие из 3-8 видов растений) противоэрозионные фитоценозы с 50% проективным покрытием практически мгновенно, более сложные (30 видов) сомкнутые - за 2 года. Увеличение видового разнообразия в таком культурфитоценозе проходит несколькими путями: за счет самораспространения полос, заселения оголенных межполосных пространств заносными видами с близлежащих участков хвостохранилища, что обеспечивает высокое сходство общих показателей систематического разнообразия и ценотических спектров естественной и культурной флор и путем привлечения аборигенных корневищных растений.

Таким образом, с помощью заявляемого способа с использованием вермикулитового субстрата с гранулами до 2-4 мм и рН от 6,5 до 7,2 создается биологически активное почвоподобное тело, выполняющее функции традиционно используемого для биорекультивации торфяно-почвенного слоя.

Пример 2. Способ был апробирован в Мончегорском районе Мурманской области на техногенной пустоши. Как правило, в условиях пустоши корни растений не могут проникать глубоко в почву и погибают. Слой вермикулита с питательными веществами обеспечивает быстрое создание растительного покрытия, затем проросшее растительное покрытие начинает образовывать вторичную подушку из корней, высота его дернового пласта увеличивается за счет постоянного образования и роста новых корней тех растений, которые слагают созданный травостой, так как в данном случае покрытие живет не за счет питательных веществ грунта, а за счет питательных веществ, влаги и воздуха, которые содержатся в заявляемом субстрате. Созданная таким образом дернина прирастает к грунту не сразу, а постепенно: в первый год ее корни проникают в грунт на 1-2 см, во второй - до 4 см. Адаптация культурфитоценоза происходит только благодаря запасу влаги, воздуха и питательных веществ в вермикулитовом субстрате, сантиметровый слой которого защищает корни растений от прямого влияния загрязнителей, обеспечивает жизненно необходимые условия для дальнейшего роста и развития культурфитоценоза; в дальнейшем опад травостоя, микробиологические процессы, происходящие в формирующейся дернине, способствуют образованию дополнительного запаса питательных веществ уже органического характера, тем самым смягчаются условия в грунте в том месте, где создан растительный покров заявляемым способом.

Пример 3. Были проведены экспериментальные работы по исследованию возможности использования заявляемого способа на свалке бытовых отходов в п.Дровяное Мурманской обл. в июле-октябре 2009 г. В короба с субстратами из смеси торфа и песка был внесен мазут (2 короба) и сырая нефть (2 короба). Затем в одних коробах на поверхность субстратов были постелены готовые газонные коврики, в других - посеяны семена трав по заявляемому способу. Результаты наблюдений показали, что через 2 недели степень прирастания дернины газонных ковриков в вариантах с добавлением мазута составила более 70%, в вариантах с использованием сырой нефти - 10%. При способе прямого посева с инициацией процессов прорастания семян и роста проростков многолетних злаковых растений всего за 1 неделю был сформирован высококачественный растительный покров со 100% проективным покрытием и глубоким проникновением корневой системы в техногенный субстрат.

Таким образом, запас питательных веществ в семени, высочайшая энергия его прорастания, роста и развития на первом этапе онтогенеза, заложенные природой, + 100% вермикулитовый субстрат с уровнем рН 6,5-7,2, который обладает набором уникальных, благоприятных для посева и выращивания растений свойств и способен обеспечить оптимальные условия, необходимые для инициации процессов онтогенеза, + полив водным раствором минеральных удобрений + полиэтиленовая пленка, сохраняющая температуру и влагу во время прохождения этих процессов и защищающая посевы - все они, вместе взятые, позволяют создавать высококачественный культурфитоценоз в кратчайшие сроки - всего за 7 дней.

Способ прост в исполнении, применим даже в неблагоприятных климатических условиях Крайнего Севера и позволяет значительно сократить затраты на создание высокачественного травяно-дернового покрытия, заранее спланировать сроки получения и плотность будущего травостоя и тип создаваемого культурфитоценоза.

Список использованной литературы:

1. Обручева Н.В., Антипова О.В. Запуск роста осевых органов и его подготовка при прорастании семян, находящихся в вынужденном покое // физиология растений, 1994. Том 41. № 3. С.443-447.

2. Обручева Н.В., Антипова О.В. Физиология инициации прорастания семян // физиология растений, 1997. Том 44. № 2. С.287-302.

3. Ботаника: Морфология и анатомия растений: Учебное пособие для студентов пед. ин-тов по биол. и хим. спец. / Васильев А.Е., Воронин Н.С., Еленевский А.Г. и др. М.: Просвещение, 1988. 488 с.

4. Гэлстон А., Девис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения. Пер. с англ. М.: Мир, 1983. 552 с.

5. Биология развития культурных растений: Учебное пособие для студентов пед. ин-тов по биол. спец. вузов / Куперман Ф.М., Ржанова Е.И., Мурашев В.В. и др. Под редакцией Куперман Ф.М. М.: Высшая школа, 1982. 342 с.