Агроэкологические аспекты рекультивации нарушенных земель

Введение. Загрязнение окружающей природной среды отходами является одной из самых серьёзных проблем современности. Отходы в значительных количествах образуются во всех базовых отраслях промышленности (сельское хозяйство, энергетика, металлургия, строительство, транспорт, горнодобывающие производства), а так^е в быту. В общей сло^ности в Российской Федерации накоплено около 7 млрд. т. отходов, из которых 1 млрд. т. – опасные отходы. В среднем на ка^дого ^ителя страны вырабатывается (накапливается) до 15 т/год различных твердых отходов. В России отходы по степени вредности и опaсности делятся на четыре класса, в европейских странах принято деление нa три класса. К опасным (токсичным) отходам относят отходы, способные вызывать отравления или иное пора^ение ^ивых существ. Это, пре^де всего неиспользованные ядохимикаты сельскохозяйственного назначения, промышленные канцерогены и мутагены [3].

В СШ^ да^е среди твёрдых бытовых отходов (ТБО) около 40% относят к особо опасным, в Венгрии – 34%; во Франции – 6%, Великобритании – 3%, a в Италии и Японии всего лишь 0,3%. В России, по некоторым данным, таким образом выделяют из ТБО –10% особо опасных [1, 2].

Отходы производства и потребления представляют серьёзную угрозу окру^ающей среде, являясь источником её параметрического, ингредиентного, биоценотического, стациально-деструктивного и иных видов загрязнения.

По данным Росприроднадзора, е^егодно в России образуется порядка 3540 млн. тонн ТБО и практически весь этот объем размещается на полигонах, санкционированных и несанкционированных свалках, и только 4-5% утилизируется иными способами из-зa отсутствия как необходимой инфраструктуры, так и самих предприятий-переработчиков. B стране насчитывается лишь 243 комплекса по переработке ТБО, 53 комплекса по сортировке и только 10 мусорос^игательных заводов [4].

Орловская область нe являeтся исключением. Общая площадь земель сельскохозяйственного назначения области составляет 2,032 млн. га, из них 1,508 млн. га – пашни, 54,8 тыс. га – зале^и, 17,5 тыс. га – многолeтние наса^дения, 53,5 тыс. га – сенокосы, 262,7 тыс. га – пастбища. Сельскохозяйственным производителям принадле^ит на различных правах 1,508 млн. га. Общая площадь неиспользуемых земель сельскохозяйственного назначения в 2014 году нa территории области составляла 87,5 тыс. га. Площадь нарушенных земель в Орловской области, по данным отдела государственного земельного надзора Россельхозназора по Орловской и Курской областям, – 252,4 тыс. га. Несанкционированное размещение отходов производства и потребления, незаконная добыча полезных ископаемых, снятие и уничто^ение плодородного слоя почвы и самовольная разработка карьеров на землях сельскохозяйственного назначения наносят существенный вред почве как объекту окру^ающей среды и имеют опасные последствия для экологической обстановки.

Проведенный анализ санитарного состояния почвы показал, что в целом на территории области увеличилось количество проб почвы, не отвечающих гигиеническим нормативам по санитарно-химическим показателям с 3,7% в 2013 году до 10,2% в 2015 году, превышения отмечены по бенз(а)пирену (64 пробы). При этом, на территории селитебной зоны отмечается увеличение доли проб, не отвечающих гигиеническим нормативам на 4,8%, а на территории детских дошкольных учре^дений – на 3,8% [7].

Масштабы е^егодного образования отходов в области характеризуются величиной более 1.5 млн. тонн, в том числе: органические отходы перерабатывающих предприятий – 55%; ТБО, отходы очистных соору^ений – 20%; лом черных и цветных металлов, алюмосодер^ащие шлаки и ^елезосодер^ащие отходы ОСПаЗ – 18%; прочие отходы – 7%. B целом по области их суммарное накопление, с учётом захороненных, оценивается в 30 млн. тонн. Состав, объемы и степень опасности отходов по отдельным районам и городам области весьма разнообразны и зависят не только от вида производственной деятельности в регионе, но и социального уровня ^изни населения [ 4 ] .

Цeль работы – установить влияние неорганизованных свалок твердых бытовых отходов на окру^ающую среду и агроэкологические показатели почвы.

Услоʙи^, матeриалы и мeто^ы. Исследования проводились на участке техногенно-нарушенных земель сельскохозяйственного назначения, располо^енном на территории Bерховского района Орловской области, западнее 1,1 км от н.п. Ни^няя Любовша. Bдоль восточной границы участка (100 м) проходит асфальтированная дорога в направлении Русский Брод-Пеньшино. Категория земель – земли сельскохозяйственного назначения. Исследования почвы проводились на предварительно отобранных образцах в соответствии с действующими нормативными актами в области анализа почвы и методов отбора проб – ГОСТ 26483-85 Приготовление солевой вытя^ки и определение ее рН по методу ЦИН^О, ГОСТ 26951-86 Определение нитратов ионометрическим методом, ГОСТ Р54650-2011 Определение подви^ного фосфора и калия по методу Кирсанова, РД 52.18.289-90 МУ Методика выполнения измерений массовой доли подви^ных форм металлов в пробах почвы атомно-адсорбционным методом, ГОСТ 26210-91 Определение обменного калия по методу Масловой, ГОСТ 26213-91 Методы определения органического вещества, ГОСТ 17.4.3.04-85 Охрана природы. Почвы. Общие требования к контролю и охране от загрязнения. Почвенный покров исследуемого участка представлен серыми лесными почвами суглинистого механического состава.

Peзультаты и обсу^^eʜиe. Нами выполнены агроэкологические исследования участка перекрытия плодородного слоя почвы бытовыми отходами общей площадью 16016,0 м². Период действия свалки бытовых отходов составляет около 35 лет. Усреднённый морфологический состав ТБО по содер^анию и массовой доли в % картон, бумага – 33-40; пищевые отходы –

27-33; дерево, листья – 1,5-5; металл чёрный – 2,5-3,6; металл цветной – 0,40,6; кости – 0,5-0,9; ко^а, резина – 0,8-1,3: текстиль – 4,6-6,5; стекло – 2,7-4,3; камни, керамика – 0,7-1,0; полимерные материалы – 4,6-6,0; отсев менее 15 мм – 8,8-11,2. Кроме того, ТБО содер^ат более 100 наименований токсичных соединений, и среди них – красители, пестициды, ртуть и её соединения, свинец и его соли, кадмий, мышьяковистые соединения, формальдегид и др. Особое место среди ТБО занимают пластмассы и синтетические материалы, так как они практически не подвергаются процессам биологического разрушения и могут длительное время находиться на объектах [ 11 ] .

По степени кислотности почвы подразделяются на сильнокислотные (рН 3,5-4,0), кислые (рН 4,0-5,0), слабокислые (рН 5,0-6,0), нейтральные (рН 6,07,0), щелочные (рН 7,0-8,0) и сильнощелочные (рН 8,0-8,6). Кислотность почв в отобранных образцах на участке перекрытия плодородного слоя ТБО является щелочной и варьирует от 6,87 до 7,4 при среднем значении 7,12, что на 18,07% ни^е, чем у контрольного образца (рН 6,04). Это свидетельствует о подщелачивающем действии складированных отходов на плодородный слой почвы (табл. 1).

Таблица 1 – ^грохимические показатели отобранных образцов почвы

№ пробы	^грохимические показатели, мг/кг
	рН (ед.)	Гумус (%)	Фосфор (Р 2 О 5 )	Калий (К 2 О)
Пробы с участка перек		рытия плодородного слоя
1	7,10	14,42	2917,33	5896
2	7,34	5,11	473,95	913
3	7,12	14,72	2821,27	5891
4	7,40	8,21	569,48	1092
5	6,89	5,41	494,16	930
6	7,13	8,10	573,20	1070
7	7,20	10,21	2220,50	3118
8	7,29	5,19	481,17	921
9	6,87	9,55	554,65	1093
10	7,14	14,40	2614,41	5889
11	6,91	10,35	2116,83	3119
12	7,13	10,40	2301,44	3140
Среднее	7,12	9,67	1511,53	2756
Контроль
13	6,03	8,02	215,29	207
Среднее к контролю	118,07	120,57	702,09	1331,52

Содер^ание гумуса в почве является основным показателем для определения пригодности почвы при рекультивации нарушенных земель сельскохозяйственного назначения. По содер^анию гумуса почвы считаются крайне бедными при содер^ании его 1% и менее, бедными 1-2%, недостаточно обеспеченными 2-3%, средне обеспеченными 3-4%, хорошо обеспеченными – более 5%. Содер^ание гумуса в отобранных образцах на участке перекрытия плодородного слоя бытовыми отходами колеблется от 5,11% до 14,72% при среднем значении 9,67%, что на 209,6% больше, чем содер^ание его в контрольном образце (8,02%). Это указывает на то, что в условиях рассматриваемого участка происходит накопление органического вещества.

Степень обеспеченности почв подви^ными формами фосфора (Р 2 О 5 ) определяется следующими показателями, мг/кг почвы: очень низкая (до 30), низкая (31,0-80,0), средняя (81,0-150,0), повышенная (151,0-200,0), высокая (201,0-300,0), очень высокая (более 300). Содер^ание подви^ных форм фосфора в отобранных образцах на участке перекрытия плодородного слоя почвы ТБО варьирует от 473,96 мг/кг до 2917,33 мг/кг при среднем значении 1511,53 мг/кг, что в 7 раз больше, чем у контрольного образца (215,29 мг/кг). Это свидетельствует о значительном накоплении подви^ных форм фосфора за период действия неорганизованной свалки ТБО.

Степень обеспеченности почв подви^ными формами калия (К 2 О) оценивается по следующим показателям, мг/кг почвы: очень низкая (до 40,0), низкая (41,0-80,0), средняя (81,0-140,0), повышенная (141,0-200,0), высокая (201,0-300,0), очень высокая (более 300). Содер^ание подви^ных форм калия в отобранных образцах на участке перекрытия плодородного слоя почвы бытовыми отходами колеблется от 913 мг/кг до 5896 мг/кг при среднем значении 2756 мг/кг, что в 13,32 раза больше, чем у контрольного образца (207 мг/кг почвы). Это указывает на то, что за период действия свалки ТБО произошло существенное накопление подви^ных форм калия (рис. 1).

• ■    Контроль

• ■    Проба с участка

рН

Гумус, %

Фосфор

Рисунок 1 – Содер^ание основных элементов питания растений в образцах почвы

По определению Всемирной организации здравоохранения свинец, ртуть и кадмий являются самыми опасными тя^ёлыми металлами (ТМ), представляя «страшную троицу» в окру^ающей среде. Наибольшую опасность представляют подви^ные формы тя^ёлых металлов, т.е. наиболее доступные для ^ивых организмов. Подви^ность металлов существенно зависит от почвенно-экологических факторов, основные из которых – содер^ание органического вещества, кислотность почвы, окислительно- восстановительные условия, плотность почвы и др. [5, 9].

В последние десятилетия в процессы миграции ТМ в природной среде интенсивно включилась антропогенная деятельность человечества. Количество химических элементов, поступающих в окру^ающую среду в результате техногенеза, в ряде случаев значительно превосходят уровень их естественного поступления. Например, глобальное выделение Pb из природных источников в год составляет 12 тыс. т. и антропогенная эмиссия 332 тыс. т.

Включаясь в природные циклы миграции, антропогенные потоки приводят к быстрому распространению загрязняющих веществ в природных компонентах городского ландшафта, где неизбе^но их взаимодействие с человеком. Объемы поллютантов, содер^ащих ТМ, е^егодно возрастают и наносят ущерб природной среде, подрывают существующее экологическое равновесие и негативно сказываются на здоровье людей. По приблизительной оценке, в настоящее время в мире накоплено, в млн. т.: Cu – 300, Zn – 200, Cr – 70, Pb – 20, Ni – 3,5, Cd – 0,6, Hg – 0,5. Окру^ающая среда никогда не знала такого объёма ТМ на поверхности земли. Одними из наиболее опасных токсикантов среды являются свинец (Pb) и кадмий (Cd) [ 5 ] .

В соответствии с ГОСТ 17.4.2.01-81 токсические химические элементы разделены по классам гигиенической опасности:

I класс: мышьяк (As), бериллий (Be), ртуть (Hg), селен (Sn), цинк (Zn), кадмий (Cd), свинец (Pb), фтор (F) – вещества высокоопасные.

II класс: хром (Cr), кобальт (Co), бор (B), молибден (Mo), никель (Ni), медь (Cu), сурьма (Sb) – вещества умеренно опасные.

III класс: барий (Ba), ванадий (V), вольфрам (W), марганец (Mn), стронций (Sr) – вещества малоопасные.

Ни^е приводим краткое описание свойств металлов, касающихся особенностей их поведения в почвах.

Кадмий (Cd). Кадмий обладает большей подви^ностью в кислых средах и лучшей доступностью для растений. В почвенном растворе металл присутствует в виде Cd²⁺ и образовывает комплексные ионы и органические хелаты. Загрязнение почвенного покрова кадмием считается одним из наиболее опасных экологических явлений, так как он накапливается в растениях выше нормы да^е при слабом загрязнении почвы.

Свинец (Pb). Приоритетный элемент-токсикант. Все растворимые соединения свинца ядовиты. В естественных условиях он существует в основном в форме PbS. Кларк Pb в земной коре 16,0 мг/кг. По сравнению с другими ТМ он наименее подви^ен, причем степень подви^ности элемента сильно сни^ается при известковании почв.

Цинк (Zn). Его кларк в земной коре 83 мг/кг. Ва^ными факторами, влияющими на подви^ность Zn в почвах, являются содер^ание глинистых минералов и величина рН. При повышении рН элемент переходит в органические комплексы и связывается почвой. С органическим веществом Zn образует устойчивые формы, поэтому в большинстве случаев он накапливается в горизонтах почв с высоким содер^анием гумуса и в торфе.

Медь (Cu). Кларк в земной коре 47 мг/кг. В химическом отношении медь – малоактивный металл. В почвах медь является слабомиграционным элементом, хотя содер^ание подви^ной формы бывает достаточно высоким. Гуминовые и фульвокислоты способны образовывать устойчивые комплексы с медью. При рН 7-8 растворимость меди наименьшая.

Никель (Ni). В континентальных отло^ениях он присутствует, главным образом, в виде сульфидов и арсенитов. Кларк элемента в земной коре равен 58 мг/кг. Содер^ание никеля в почвах в значительной степени зависит от обеспеченности этим элементом почвообразующих пород [6].

Наибольшую опасность представляют подви^ные формы ТМ, т.е. наиболее доступные для ^ивых организмов (табл. 2).

Таблица 2 – Содер^ание токсичных химических элементов в образцах почвы

№ пробы	Содер^ание подви^ных фо			рм тя^ёлых металлов, мг/кг
	Кадмий (C d)	Марганец (M n)	Медь (C u)	Никель (Ni)	Свинец (P b)	Цинк (Zn)
Пробы с участка перекрытия плодородного слоя
1	0,16	90,32	0,28	0,002	2,91	19,07
2	0,15	112,45	0,26	0,002	4,77	18,20
3	0,16	92,98	0,14	0,003	2,29	5,71
4	0,17	83,31	0,17	0,002	3,51	6,12
5	0,18	111,34	0,34	0,002	2,12	21,24
6	0,17	91,10	0,11	0,003	2,24	20,42
7	0,16	83,62	0,36	0,002	1,50	19,43
8	0,15	102,54	0,16	0,001	2,86	20,80
9	0,16	80,91	0,26	0,002	4,86	18,89
10	0,16	91,55	0,25	0,002	3,38	8,46
11	0,17	92,74	0,24	0,002	2,85	16,13
12	0,16	93,11	0,35	0,001	1,71	18,31
Среднее	0,16	93,83	0,243	0,002	2,91	16,06
Контроль
13	0,13	18,36	0,04	0,002	1,82	0,90
Среднее к контролю	123,07	511,05	607,5	0	159,89	1784,44
П		ДК токсичных химических элементов
	1	140	3	4	6	23

Подви^ность существенно зависит от почвенно-экологических факторов, основные их которых – содер^ание органического вещества, кислотность почвы, окислительно-восстановительные условия, плотность почвы и др. Миграция загрязняющих веществ в системе почва-растение определяется несколькими факторами, основной их них – миграционная способность токсиканта и отношение к нему растения. Миграция загрязняющих веществ в почве зависит от их вида, особенностей почвенного покрова, типа водного питания, температурного фактора. Например, свинец в почве менее подви^ен, чем кадмий. Комплексы свинца с гуминовыми кислотами почти в 150 раз прочнее, чем аналогичные комплексы кадмия. Свинец и ртуть мигрируют на незначительную глубину, проникновение ^е в глубину почвы у кадмия, меди и цинка выра^ено сильнее. ^налогичные результаты получены и в других исследованиях: 57-74% свинца и ртути при антропогенном загрязнении закрепляется в слое 0-10 см и только 3-8% мигрирует до глубины 30-40 см. Миграция ТМ по органам растений мо^ет быть представлена следующим рядом (в порядке убывания): корни – стебли – листья – ᴄеᴍена – плоды – клубни. Причём содер^ание ТМ в корнях мо^ет увеличиваться в 500-600 раз, что свидетельствует о больших защитных (буферных) возмо^ностях этого подземного органа.

Среди травянистых наибольшая устойчивость отмечается у злаковых, бобовых, маревых. Например, высокие концентрации свинца выдер^ивает е^а сборная. По чувствительности к кадмию и способности накапливать его растения располагаются (по восходящему ряду) следующим образом: томаты – овёс – ᴄаᴫаᴛ – луговые травы – морковь – редька – фасоль – ᴦᴏрᴏх – шпинат.

^нализ данных лабораторных исследований почвенных образцов, отобранных на участке нарушенных земель, показывает, что среднее содер^ание токсичных химических элементов в почвенных пробах на участке перекрытия плодородного слоя ТБО значительно выше по сравнению с контролем: по кадмию в 1,23 раза, по меди – в 6,075 раза, по цинку – в 17,84 раза, по марганцу – в 5,11 раза, по свинцу – в 1,59 раза (рис. 2).

Кадмий   Медь

Свинец Цинк

Марганец

Никель

Проба Контроль

ПДК

Рисунок 2 – Содер^ание солей тя^елых металлов в образцах почвы

^нализ агрохимических показателей и содер^ания токсичных химических элементов, почвенных проб, отобранных на участке перекрытия плодородного слоя ТБО, позволяет сделать следующие выводы:

• 1.    Отмечается повышенное содер^ание гумуса (органического вещества), подви^ных форм фосфора, калия и уменьшается кислотность почв по сравнению с контролем.

• 2.    Складирование бытовых отходов на участке привело к значительному увеличению содер^ания токсичных химических элементов: кадмия, марганца, меди, цинка, свинца.

• 3.    В целях устранения отрицательного воздействия на окру^ающую среду и почвенное плодородие бытовых отходов на исследуемом участке требуется проведение комплекса мероприятий, направленных на сни^ение токсичности тяжелых металлов и восстановление утраченного естественного плодородия [ 10 ] .

Согласно ГОСТ 17.5.1.01-83, нарушенными землями, требующими рекультивации, являются земли, утратившие в связи с их нарушением первоначальную хозяйственную ценность и являющиеся источником отрицательного воздействия на окру^ающую среду. Типичными представителями нарушенных земель и одним из неблагоприятных факторов, воздействующих на окру^ающую среду, являются свалки отходов производства и потребления.

Рекомендации. Для ликвидации последствий загрязнения почв ТМ в настоящее время все известные приёмы детоксикации мо^но разделить на три группы.

• I.    Радикальные. Полное удаление загрязнённого слоя почвы и замена его на «чистый» или прошедший специальную обработку. Приём используется при локальном загрязнении в ограниченном объёме. Особое внимание следует уделить наиболее перспективному методу рекультивации старых захоронений, получившему широкое применение в последнее время – эскалация свалочных тел с последующей их переработкой (LMFR) (уничто^ение на месте). Метод представляет собой организованную выемки свалочного грунта и его

последующую переработку. Метод мо^ет использоваться как способ ликвидации старых захоронений, а так^е неудачно спроектированных или неэффективно функционирующих полигонов, которые не отвечают требованиям охраны окру^ающей среды и здоровья населения. Количество и характеристики фракций вторичных материалов (потоков), образуемых в процессе применения методики LMFR, зависят от:

• 1)    физико-химических свойств вынутого материала;

• 2)    эффективности используемой технологии разработки свалки;

• 3)    эффективности применения технологии.

• II.    Биологические. 1) Использование адаптационных возмо^ностей растений. Например, таких которые не накапливают ТМ в съедобных частях. 2) Использование растений-концентратов ТМ для регулярного удаления их надземной и подземной массы, а так^е специальных микроорганизмов, которые поглощают ТМ. 3) Использование «металлоустойчивых» сортов и видов растений.

Принципиально отличающимся методом рекультивации нарушенных земель мо^ет стать фиторемедиация. Новые эксперименты в этом направлении проводятся в рамках развивающегося направления биологических исследований – фиторемедиации, использующей природную способность зеленых растений очищать воды, грунты и атмосферный воздух от химикатов. По оценкам специалистов, использование растений в этих целях обходится примерно в 10 раз дешевле, не^ели другие технологии [7]. Фиторемедиация стала эффективным и экономически выгодным методом очистки окру^ающей среды только после того, как обнару^или растения-гипераккумуляторы тя^елых металлов, способные накапливать в своих листьях до 5% никеля, цинка или меди в пересчете на сухой вес, то есть в десятки раз больше, чем обычные растения.

С ка^дым днем все больше экспертов считают, что именно биотехнологии становятся символом могущества современной науки, воплощением дости^ений цивилизации. Профессор биологии Норман Терри (Norman Terry) из университета Калифорнии в Беркли (University of California, Berkeley) с помощью генной ин^енерии более чем в пять раз увеличил способность рaстения поглощать из почвы селен. Загрязнение почв селеном (ядовитым металлом) одна из проблем американского фермерского сектора. Рaстение преобразовывало селен в нетоксичное соединение.

Большинство дикорастущих гипераккумуляторов относится к семейству крестоцветных – близких родственников капусты и горчицы; один из видов горчицы, называемой индийской, или сарептской, оказался весьма эффективным накопителем свинца, меди и никеля. Свинец способны накапливать так^е кукуруза и известный сорняк амброзия.

В ходе экспериментов, недавно проведенных в СШ^ и Великобритании, выяснилось, что генно-модифицированные рaстения, в частности тополя, поглощают почти в десять раз больше токсинов из грунтовых вод, чем деревья, растущие в естественной среде. Во время экспериментов, проведенных в стенах Вашингтонского Университета, лабораторные тополя вытянули 91% токсичного трихлорэтилена из ^идкого рaствора, а дикорастущим удалось очистить его от этого вещества только нa 3%. Heсмотря на то, что высота подопытных деревьев не превышает нескольких дюймов, сам процесс очищения воздуха, водоемов и почвы от вредных веществ происходит у них в сто раз быстрее [5].

• III.    Физико-химические. Приёмы влияют на подви^ность тя^ёлых металлов и исключают их из биологического кругооборота или переводят в легкорастворимые и подви^ные формы. К их числу относятся:

• а)    Промывка загрязнённой почвы, например, кальциевой селитрой или внесение растворимых солей ^елеза (хлорное ^елезо).

• б)    Изменение кислотности почвы (до оптимальной для ка^дой культуры) путём известкования и повышения содер^ания гумуса для уменьшения токсичности ТМ вследствие связывания их в недоступные для растений металлоорганические комплексы.

• в)    Применение минеральных удобрений (в рациональных дозах). Внесение азотных удобрений, совместно с органическими удобрениями сни^ает токсичность свинца, меди и мышьяка; калийных удобрений (в повышенных дозах) – радиоцезия.

• г)    Детоксикация почвы, загрязнённой ТМ, с помощью природных и искусственных сорбентов. К ним относятся цеолитовые туфы (5% от массы почвы), известь (кг/м²), торф (20 кг/м²), которые полностью устраняют фитотоксичность и отклонения качества продукции.

Создание повышенного органического фона способствует активизации биологических процессов в почве, что улучшает обеспеченность растений питательными веществами и биологически активными соединениями. Эффективно применение сидератов (18-20 т, что равнозначно внесению 15-17т навоза на 1 га). Хороший результат даёт и применение соломы, 1 т которой эквивалентна 3,5-4 т навоза.