Стратегия возвращения нарушенных земель техногенных ландшафтов биосферному фонду
Н.Н. Мельников, академик РАН, д.т.н., профессор, научный руководитель института, ФГБУН «Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук» (ГоИ КНЦ РАН)
С.П. Месяц, заведующий лабораторией ГоИ КНЦ РАН,
Е.Ю. Волкова, ведущий технолог ГоИ КНЦ РАН
К началу третьего тысячелетия стало очевидным, что масштабы потребления природных ресурсов, обеспечивающие развитие цивилизации, привели к нарушению естественной сбалансированности биосферных процессов. В настоящее время практически половина почвенной оболочки Земли не выполняет экосистемные и биосферные функции. В силу глобального характера разрушения почвенной оболочки Земли проблема рекультивации нарушенных земель вышла за рамки возвращения их в народно-хозяйственное пользование и, в свете современного знания роли почвенной оболочки, трактуется, в первую очередь, как восстановление экосистемных функций территории для сохранения устойчивого состояния биосферы.
Размеры земельных отводов крупнейших горнодобывающих предприятий измеряются десятками тысяч гектаров. На территории России в отвалах различных типов накоплено свыше 85 млрд т твёрдых отходов, в том числе 80 млрд т – горнопромышленных, количество которых ежегодно увеличивается почти на 2 млрд т. Согласно отчетности горнодобывающих предприятий Мурманской области в 2014 г. отходы составили 194,9 млн т (отходы рудообогащения, вскрышные и проходческие породы и т. п.) – 99,8% всех отходов производства в области. По сравнению с 2010 г. их количество увеличилось на 20% [1].
По мере увеличения площадей с нарушенным почвеннорастительным покровом способность таких территорий к самовосстановлению уменьшается, в отдельных случаях сводится практически к нулю, поскольку резко снижается биологическая продуктивность, определяющая функции почвенной оболочки Земли. Изучение и анализ практики восстановления нарушенных земель, сложившейся к концу прошлого века, позволяет сделать вывод, что наиболее перспективный путь состоит в разработке решений по содействию регенерационным возможностям природной среды.
На основании изучения самоорганизуемой природы почв и анализа данных многолетнего мониторинга на различных объектах в разных климатических зонах разработана методология восстановления экосистемных функций территории, заключающаяся в образовании биологически активной среды в результате создания сеяного фитоценоза без нанесения плодородного слоя при восстановлении нарушенных земель в соответствии с концепцией естественного почвообразования [2]. Формирование биологически активной среды инициирует начальные стадии восстановления биогеохимического круговорота элементов, являющегося главным механизмом самоорганизации природных ландшафтов.
На предыдущем этапе исследований разработана технология восстановления нарушенных земель техногенных ландшафтов в соответствии с концепцией естественного почвообразования, согласно которой почва является продуктом взаимодействия материнской (горной) породы, биоты, климата, рельефа и времени, созданием сеяного фитоценоза без нанесения плодородного слоя [3]. Эволюционно закрепленное свойство растений избирательно поглощать химические элементы, необходимые для их роста и развития, и способность материнской породы задерживать их при разложении растительных остатков – начальный и конечный этапы биогенной аккумуляции органического вещества. Образующиеся органо-минеральные комплексы трансформируются в специфическое органическое соединение – гумус, депонирующее элементы – биогены, что обеспечивает устойчивое воспроизводство фитоценоза.
Восстановление нарушенных земель в соответствии с концепцией естественного почвообразования:
до создания сеяного фитоценоза;
10 лет существования сеяного фитоценоза (луговое сообщество);
30 лет существования сеяного фитоценоза (лесное сообщество);
динамика накопления гумуса при создании сеяного фитоценоза без нанесения плодородного слоя, полученная по данным мониторинга и расчетным методом
На различных объектах в разных климатических зонах по результатам опытно-промышленных работ организованы мониторинговые полигоны, где в течении длительного времени проводится исследование динамики биологической организации горной породы при восстановлении нарушенных земель в соответствии с концепцией естественного почвообразования.
Тестовым объектом определены отвалы отходов обогащения апатитсодержащих руд, характеризуемые максимальным проявлением факторов, лимитирующих процессы самозарастания, (бесструктурность субстрата, низкая водоудерживающая способность, ветровая и водная эрозии, отсутствие органического вещества, см. рис. А). Данные многолетнего мониторинга, предусматривающего комплексное и одновременное изучение генетических параметров и функциональных показателей восстанавливаемых земель, свидетельствуют о средообразующей роли растительного покрова при биологической организации горной породы [3].
Как показали результаты многолетнего мониторинга, высокая продуктивность сеяного фитоценоза обеспечивает быстрое накопление органического вещества, уже в первые годы формируется биогенно-аккумулятивный слой. На протяжении первых 20 лет средняя многолетняя продуктивность травостоя составляла ~12 т/га, что вполне сопоставимо с уровнем продуктивности луговых фитоценозов Заполярья – 12,6 т/га. По мере увеличения возраста сеяного фитоценоза наблюдается увеличение корневой биомассы, в ризосфере которой максимально проявляются процессы биохимической деструкции органического вещества (см. рис. Г).
В результате биохимических превращений часть органического вещества окисляется, преимущественно до СО2, Н2О и простых солей (минерализация), а другая под действием ферментов, выделяемых микроорганизмами, включается в состав специфических гумусовых веществ (гумификация), приводя к формированию биогенно-гумусоаккумулятивного горизонта [4].
К середине второго десятилетия запасы гумуса составили ~86 т/га, при средней скорости накопления в первые 15 лет – 0,13% в год. Выполаживание кривой накопления гумуса свидетельствует о достижении формирующейся почвенной системой определенного равновесия, имеющего динамический характер, как и в природных почвенных системах (см. рис. Г).
Довольно быстрое появление диагностируемого биогенно-гумусоаккумулятивного горизонта, характеризуемого высокой активностью биохимических процессов и выполняющего главные экосистемные функции – синтез и разложение органического вещества и депонирование элементов-биогенов, является свидетельством биологической организации горной породы.
С целью обоснования методологии восстановления экосистемных функций территории выполнено моделирование биогеохимического круговорота элементов при восстановлении нарушенных земель в соответствии с концепцией естественного почвообразования, основанное на параметризации элементного состава компонентов биогеоценозов химическими формулами и системой химических реакций, отражающих последовательность биогенной трансформации компонентов. Прогнозируемое увеличение содержания органического вещества в формирующемся биогенно-гумусо-аккумулятивном горизонте, полученное расчетным методом, хорошо корреспондируется с данными мониторинга по накоплению гумуса в процессе биологической организации горной породы в соответствии с концепцией естественного почвообразования (см. рис. Г) [5].
Разработаны методологический подход к прогнозированию скорости восстановления нарушенных земель техногенных ландшафтов в соответствии с концепцией естественного почвообразования и реализующая его компьютерная расчетно-аналитическая модель, на основании которой выполняется прогноз времени максимальной аккумуляции органического вещества биогенно-гумусо-аккумулятивного горизонта в процессе биологической организации горной породы при создании сеяного фитоценоза без нанесения плодородного слоя с учетом данных об альбедо, атмосферных осадках, с использованием цифровой модели рельефа ASTER GDEM2 на базе геоинформационных систем GRASS и QGIS. Полученные значения параметров уравнения скорости гумусонакопления учитывают влияния абиотических факторов. Для роста и развития растений при создании сеяного фитоценоза без нанесения плодородного слоя первостепенное значение имеют элементы – биогены: азот, фосфор, калий (N, Р, К). Основная масса азота поступает из атмосферы и определяется масштабами микробиологической азотфиксации. Усваиваемые формы азота являются обычно наиболее дефицитными, поскольку азот находится в составе самых лабильных и наиболее важных для осуществления биохимических процессов соединений.
Гумус – единственное природное образование, способное депонировать и постепенно освобождать азот. Так, если на второй год после создания сеяного фитоценоза, количество общего азота составляло 0,02%, то спустя 35 лет > 0,1%. Уже через 12 лет валовой запас азота в биогенногумусо-аккумулятивном горизонте составляет 2,8 т/га, что соответствует показателю в зональных подзолистых почвах.
Источниками фосфора и калия является горная (материнская) порода, минералогический состав которой на тестовом объекте представлен следующими минералами: нефелин (51,5%), пироксены (17%), полевые шпаты (9,2%), сфен (6,1%), титаномагнетит (3,2%), апатит (3%), слюды (2,1%), амфиболы (1,8%) и др. Носителем фосфора является апатит; калия – гидробиотит, биотит, нефелин, полевые шпаты.
Данные мониторинга отражают тенденцию накопления доступного растениям фосфора – за 35 лет наблюдений количество Р2О5 увеличивалось с 39,2 в материнской породе до 91,1 мг/100 г. Потери при прокаливании илистой фракции составляют ~ 50%, что позволяет утверждать, что это фосфор органических соединений, которые в результате биохимических превращений минерализуются и становятся доступными растениям. В отличие от азота и фосфора калий не входит в состав органических соединений гумуса, а находится в растительной клетке в ионной форме. Физиологическая функция калия состоит в регуляции осмотического давления в клетках, а также участии в процессе фотосинтеза. За 35 лет существования сеяного фитоценоза содержание доступного для растений K в корнеобитаемом горизонте увеличивается: в кислотной вытяжке – с 2,1 до 8,8 мг K2О/100 г, обменного – с 1,01 до 2,14 мг·экв/100 г в результате биогенной аккумуляции в гумусе.
В целом, оценка биопродуктивности сеяного фитоценоза в ходе мониторинга свидетельствует об обеспеченности растений элементами-биогенами. Исследование функциональных показателей формирующейся системы, таких как состояние почвенно-поглощающего комплекса (ППК), сумма обменных катионов, емкость катионного обмена, реакция среды, являющихся характеристикой биологической организации горной породы, свидетельствуют о её высокой скорости. Так, увеличение емкости катионного обмена с 4,21 до 9,01 мг·экв/100г свидетельствует о накоплении органического вещества, увеличении степени дисперсности и буферности почвы.
О биологической организации горной породы также свидетельствуют накопление тонкодисперсных фракций, увеличение количества агрегатов, удельной поверхности, порозности.
Так, если содержание фракций (< 0.01 мм) в материнской породе составляло 0,55%, то в 30-летних почвах – 10,4%. Увеличение общего количества агрегатов в корнеобитаемом слое 30-летних почв на 40% по сравнению с 15-летними объясняется накоплением структурообразователей, которыми являются корневые выделения растений, продукты метаболизма биоты, гумусовые вещества, образующиеся при разложении растительных остатков.
Уменьшение величин плотностей (объемного веса с 1,52 в материнской породе до 0,96 г/см3 в 30-летних почвах и удельного веса с 2,92 до 2,6 г/см3) объясняется присутствием хорошо развитых корневых систем многолетних трав и накоплением органического вещества. От величины порозности почвы зависит обеспеченность корней растений влагой и воздухом. Согласно шкале Н.А. Качинского порозность материнской породы оценивается как «неудовлетворительная», а порозность 25-летних почв – «отличная».
Сеяный фитоценоз, как и любая экосистема, с течением времени претерпевает изменения. Обогащение видового состава, отмеченное во втором десятилетии, идет за счет типичных луговых растений, хотя доминирующее положение по-прежнему занимают сеяные злаки (см. рис. Б). Образующиеся при создании сеяного фитоценоза биогеохимические потоки постепенно «срастаются» с естественными биогеохимическими потоками; происходит подселение видов местной флоры и формирование ярусной структуры.
На основании геоботанических исследований сеяного фитоценоза на тестовом объекте в середине третьего десятилетия в травяно-кустарничковом ярусе растительного покрова отмечено 44 вида сосудистых растений из 11 семейств, в древесно-кустарниковом ярусе – 8 видов из 4 семейств, в мохово-лишайниковом ярусе – 15 видов из 10 семейств. Также в напочвенном покрове были отмечены по одному виду печеночника и грибов. В общем, видовое разнообразие в середине третьего десятилетия представлено 69 видами из 27 семейств. Выделены следующие стадии сукцессии сеяного фитоценоза: луговое и лесное сообщество (см. рис. Б, В).
Cпустя 35 лет травяно-кустарничковый ярус представлен 37 видами из 12 семейств; самыми многовидовыми являются семейства Poaceae (Злаковые), Asteraceae (Сложноцветные).
В древесно-кустарниковом ярусе выделено 11 видов из 5 семейств, количество единиц на гектар составило более 16000.
В мохово-лишайниковом ярусе представлено 27 видов из 15 семейств. Среди грибов выделено 3 вида из 3 семейств. Таким образом, в результате подселения в сеяный фитоценоз местных видов растительное сообщество в середине четвертого десятилетия представлено 78 видами из 36 семейств.
Увеличение видового разнообразия в ходе сукцессии, усложнение связей внутри фитоценоза за счет активного внедрения местных видов, в том числе деревьев и кустарников, приводит к формированию фитоценоза со структурой окружающего природного ландшафта.
Разработана информационная система поддержки принятия решений по восстановлению экосистемных функций территории, позволяющая осуществлять выбор способов повышения биопродуктивности нарушенных земель техногенных ландшафтов с целью образования биологически активной среды для формирования фитоценоза со структурой окружающего природного ландшафта. Для автоматизации выбора разработан комплекс алгоритмов и программных средств, реализующих методы генерализации информации, методы изучения связей параметров мониторинга и методы комплексной интерпретации данных. Программный модуль осуществляет автоматизированный выбор способов повышения биопродуктивности нарушенных земель на основе анализа содержимого баз данных – «Состояние нарушенных земель», «Способы повышения биопродуктивности нарушенных земель» – в области их пересечения по факторам, лимитирующим процессы самовосстановления нарушенных земель.
Анализ базы данных мониторинга восстанавливаемых земель позволяет оптимизировать алгоритм выбора. Таким образом, на основании изучения самоорганизуемой природы почв и анализа данных многолетнего мониторинга на различных объектах в разных климатических зонах разработана методология восстановления экосистемных функций территории, заключающаяся в образовании биологически активной среды созданием сеяного фитоценоза без нанесения плодородного слоя при восстановлении нарушенных земель в соответствии с концепцией естественного почвообразования. Сеяный фитоценоз, выступая как системообразующая структура, создает условия для значительно более быстрого, чем при самовосстановлении формирования фитоценоза со структурой окружающего природного ландшафта, что свидетельствует о восстановлении экосистемных функций территории и позволяет говорить о возвращении нарушенных земель техногенных ландшафтов биосферному фонду.
