Рекультивация земель Тюменской области, загрязненных тяжелыми металлами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФГБОУ ВПО Государственный Аграрный университет

Северного Зауралья

Агротехнологический институт

Кафедра экологии и рационального природопользования

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Рекультивация нарушенных земель»

Тема: Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами

Исполнитель: студентка 841 гр.

Зубкова Д.С.

Проверил: доктор с.-х. наук,

проф. Моторин А.С.

Тюмень 2014



Содержание

Введение

1. Характеристика загрязненного участка

1.1 Местоположение

1.2 Краткая характеристика Тюменского района

2. Природно-климатическая характеристика

2.1 Географическое положение района

2.2 Климатические условия

2.3 Характеристика почвенного покрова

2.4 Гидрографическая характеристика

2.5 Характеристика растительного и животного мира

3. Обзор мероприятий по рекультивации загрязненного тяжелыми металлами участка

4. Технический этап

5. Биологический этап

Заключение

Законодательные-нормативные природоохранные акты

Список литературы



ВВЕДЕНИЕ

Нарушение территории происходит в основном при строительстве, а также при разработке месторождений полезных ископаемых. Нарушенными считаются земли, утратившие свою хозяйственную ценность или являющиеся источником отрицательного воздействия на окружающую среду в связи с нарушением почвенного покрова, гидрогеологического режима и образования техногенного рельефа в результате производственной деятельности человека. Вновь использовать такие земли в хозяйственных целях можно только после их восстановления, которое называется рекультивацией

Рекультивация - очень сложный процесс, требующий специальных знаний, накопленных различными науками (почвоведение, гидрология, геоморфология, биогеохимия и др.). Рекультивация - это комплекс работ, проводимых с целью восстановления нарушенных территорий и приведения земельных участков в безопасное состояние. Решение проблемы рекультивации в значительной мере зависит от конкретных экологических условий нарушенных территорий. Для проектирования рекультивационных работ нужны данные о физико-химическом составе грунта, особенностях гидрологического режима, форме отвалов, крутизне откосов и т. д.

Загрязнение почв тяжелыми металлами приводит к образованию кислой или щелочной реакции почвенной среды, снижению обменной емкости катионов, потери питательных веществ, к изменению плотности, пористости, отражательной способности, к развитию эрозии, дефляции, к сокращению видового состава растительности, ее угнетению или к полной гибели.

Прежде, чем начать рекультивацию таких земель необходимо установить источник и причины загрязнения, провести мероприятия по снижению выбросов, локализации или ликвидации источника загрязнения. Только при таких условиях может быть достигнута высокая эффективность рекультивационных работ.

Ориентиром для разработки состава работ по рекультивации земель в первую очередь служит приоритетное вещество, вызывающее ухудшение экологического состояния почв и качество сельскохозяйственной продукции, а ожидаемая подвижность других опасных веществ должна регулируется специальными или комплексными мероприятиями.

Для предотвращения загрязнения почв вредными веществами используют экологические методы защиты (биологические, агротехнические и др.), повышающие природную способность почв к самоочищению.

Защита почв от загрязнения тяжелыми металлами заключается в основном на предупредительных мерах, т. е. на совершенствовании производства (создание безотходных производств и замкнутых производственных схем), снижение загрязнений атмосферных выбросов и сточных вод. К мерам борьбы с уже имеющимся загрязнением почвы тяжелыми металлами относятся известкование, внесение органических удобрений и химическое осаждение. Известкование снижает подвижность тяжелых металлов, способствует закреплению их в малоподвижной, недоступной растениям форме. Органические удобрения выступают как хороший сорбент и способствуют снижению токсического действия тяжелых металлов. При Химическом осаждении происходит образование труднорастворимых соединений, но этот метод эффективен только при высоких концентрациях тяжелых металлов, т. к. для образования таких соединений необходимо определенное пороговое количество атомов. Кроме того можно выращивать растения, слабо реагирующие на высокие концентрации в почве тяжелых металлов и не аккумулирующие их в опасных для животных и человека количествах, например технические культуры. Очень эффективна посадка на содержащих тяжелые металлы почвах лесных насаждений, так как в этом случае исключаются какие-либо санитарные ограничения.

Создание системы озелененных пространств и сохранение крупных зеленых массивов при формировании системы населенных мест имеет большое значение. К важнейшим функциям зеленых зон городов относятся: оздоровление городского воздушного бассейна, смягчение неблагоприятных природно-климатических условий, сохранение водных ресурсов и почв, охрана животного мира, организация комфортных условий массового отдыха населения.

Оздоровительные функции зеленых зон заключаются в очистке воздуха от пыли (21-86 %) и газообразных токсических веществ (в 40-50 раз) до уровня ниже ПДК, обогащении кислородом, а также обусловлены антимикробными и стерилизующими свойствами многих видов деревьев. Насаждения вдоль магистралей и дорог способствуют локализации тяжелых металлов и других загрязнителей в пространстве перед полосами и в лесных полосах и защищают почву за их пределами.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАГРЯЗНЕННОГО УЧАСТКА

1.1 Местоположение

Тюменская область, Тюменский район, участок вдоль объездной дороги.

Тип почвы: Темно-серая лесная.

Выявлено превышение ПДК, содержания тяжелых металлов в почве на площади 0,9 га.

1.2 Общая характеристика Тюменского района

С другими территориями Тюменская область связана прежде всего железнодорожным транспортом. С помощью трубопроводного транспорта Тюменская область экспортирует нефть и газ в другие области России и главным образом за границу на экспорт. Тюменская область поставляет на экспорт в Курганскую область, Свердловскую область, Архангельскую область и другие области рыбу, мясо и другие продукты сельского хозяйства. Тюменская область торгует так же и другими товарами, но все же главным предметом ее экспорта остаются нефть и газ.

Тюменский район - самый крупный район юга области - площадью 415500га с населением - 93352 человек, взрослое население - 71573, детское - 21779.

Сельское хозяйство формируется как составная часть создаваемого здесь народнохозяйственного комплекса. Область производит зерна, мяса, молока, картофеля больше, чем потребляет. Значительная часть этой продукции вывозится. Для Тюменского хозяйства характерно высокоразвитое животноводство, прежде всего молочного и мясомолочного направления. Эта важнейшая отрасль с/х области. Здесь находится 13% крупного рогатого скота Западной Сибири. Успешно развивается свиноводство, овцеводство, а в последние годы все больше и больше разводят в области птицу, особенно уток и гусей, в южных районах, изобилующих озерами с питательными растительными кормами. Широко распространено во всех районах клеточное звероводство.



2. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

2.1 Географическое положение района

тюменский рекультивация тяжелый металл

Тюменская область расположена в Западной Сибири. Тюменская область (южная часть) граничит: на юге - с Казахстаном, на юго-западе - с Курганской областью, на западе - со Свердловской областью, на востоке - с Томской и Омской областями.

Благоприятное экономико-географическое положение региона определяется близостью к экономически развитым районам европейской части страны, прежде всего к Уралу, обеспеченностью разнообразными природными ресурсами. Эти факторы, наряду с политической стабильностью, составляют инвестиционную привлекательность области, являются условиями экономического развития региона.

Тюменская область по территории занимает третье место по России, уступая лишь Якутии и Красноярскому краю.

Область занимает большую часть западно-Сибирской равнины и делит территорию России на две большие части: западнее -- Урал и Европейская часть страны, восточнее -- азиатская: Сибирь и Дальний Восток.

Высота над уровнем моря 70 метров. Федеральный округ - Уральский. Экономический район - Западно-Сибирский.

Тюменская область - одна из самых больших в Российской Федерации, её площадь составляет 8,4% территории страны. Располагаясь в центре Евразии, на западе азиатской части России, Тюменская область простирается от степей Казахстана до берегов Северного Ледовитого океана и занимает большую часть Западно-Сибирской равнины. По размерам территории область уступает лишь двум субъектам РФ - Республике Саха (Якутия) и Красноярскому краю. Тюменская область граничит с Курганской, Омской и Свердловской областями и Республикой Казахстан.

Тюменский район расположен на крайнем юго-западе Тюменской области и занимает 4305 кв.км. С севера на юг район протянулся на 50 км, с запада на восток - на 100 км. В центре района расположен областной центр - г.Тюмень, рядом - его спутники: поселки городского типа Боровский, Винзили, Каскара Богандинский и другие. Год образования Тюменского района - 1923г. На севере Тюменский район граничит с Нижнетавдинским, на северо-востоке и востоке - Ярковским, на юге - Ялуторовским, на юго-западе- Исетским, на западе-Свердловской областью. История геологического развития Тюменского района связана с историей развития Западно-Сибирской низменности. Территория не покрывалась ледниками и морями Полярного бассейна. Здесь господствует рельеф, связанный с деятельностью водных потоков. В то же время Полярный бассейн и ледники сыграли роль плотины, препятствующей свободному стоку рек на север, что и определило своеобразный рельеф района.

2.2 Климатические условия

Тюмень расположена на юге западной Сибири, на берегу реки Туры, левом притоке Тобола. В 205 км до Кургана, в 325 км до Екатеринбурга, в 246 км до Тобольска и в 678 км до Омска. Расстояние до Москвы 1725 км. Географические координаты: 57°09? северной широты, 65°32? восточной долготы, высота над уровнем моря -- 60 м. ( Агроклиматический справочник по Тюменской области.-1972.).

Солнечная радиация. Освещённость сильно изменяется в течение суток: утром даже солнечного летнего дня она составляет около 500-700 лк, в полдень достигает максимума - 90-100 тыс. лк, к вечеру опять снижается до 500-700 лк.(люксов). В сумерки в зависимости от облачности освещенность может изменяться до 0,1 лк. Набольшая суммарная освещенность бывает с апреля по август включительно, а в июне максимальная. Самый "темный" месяц в области - ноябрь. Самые "солнечные" месяцы - май, июнь, июль (Табл. 1,2,3) Агроклиматический справочник по Тюменской области. -1998.).

Таблица 1 - Продолжительность солнечного сияния в разные месяцы, часов

Тюмень	месяцы	За год
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
	68,1	124,7	172,5	233,1	294,8	389,3	321,7	244,7	180,9	93,7	53,5	45,1	2122

Таблица 2 - Длительность солнечного сияния в Тюмени в разные годы, часов

годы	1953	1954	1955	1956	1957	1958	1959	1960	1961	1962	1963	1964
Часы солнечного сияния	2115	2325	2281	2044	2179	2039	1705	1836	2029	2095	2223	2142

Таблица 3 - Число дней без Солнца

	месяцы
Тюмень	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	За год
	13	6	4	2	2	2	1	1	3	8	15	16	71

На территории области энергия ФАР (фотосинтетически активная радиация) изменяется от 400 МДж/м2 на Полярном круге до 1500 МДж/м2 на крайнем юге области у границы с Казахстаном. Весной и летом (после весеннего равноденствия - 21 марта) длина дня увеличивается по мере продвижения с юга на север, осенью и зимой (после осеннего равноденствия - 23 сентября) увеличивается по мере продвижения с севера на юг. В Тюмени температура в разные годы колеблется от - 1,8 (1969 г.) до 3,4°С 2003 г. В годовом ходе температуры воздуха самый холодный месяц январь, или начало февраля, самый теплый - июль (Табл. 4). Климат близок к резко-континентальному. Осадков выпадает немного, в среднем 480 мм в год, преимущественно летом. Характерна резкая смена погоды. Средняя температура января ?14,9 °C, минимальная температура ?46,1 °C была зарегистрирована 25 декабря 1958 года (Табл. 5). Количество дней с устойчивыми морозами составляет до 130. Средняя температура июля +18,8 °C, максимальная летом до +38 °C.

Таблица 4 - Данные о средних декадных температурах воздуха за апрель- октябрь

Тюмень	апрель	май	июнь	июль	август	сентябрь	октябрь
	1	2	3	1	2	3	1	2	3	1	2	3	1	2	3	1	2	3	1	2	3
	-0,3	4,0	6,3	8,8	10,2	13,1	14,1	17,2	17,7	19,1	18,3	17,9	16,4	15,6	13,2	11,9	9,9	7,6	3,4	1,4	1,6

Таблица 5 - Максимальная температура воздуха (°С) по декадам за холодный период года

Хар-ка	Ноябрь	декабрь	январь	февраль	март
Тюмень	1	2	3	1	2	3	1	2	3	1	2	3	1	2	3
Абсол. максимум	10,3	6,7	7,2	4,1	5,9	6,7	3,3	1,5	2,5	5,4	6,2	5,9	8,9	7,5	17,6

Количество и распределение осадков на территории области определяется главным образом особенностями общей циркуляции атмосферы (ОЦА) и характером рельефа. Занимающая срединное положение на Евразийском материке и омываемая Северным Ледовитым океаном, Тюменская область испытывает влияние и океана, и континента.

Благодаря преобладающему в умеренных широтах западному переносу воздушных масс увлажнение центральных и южных районов области практически полностью зависит от влаги, приносимой с запада.

В северных районах области на режим атмосферного увлажнения определенное влияние оказывает океан, но так как господствующий здесь арктический воздух отличается малым влагосодержанием, то количество выпадающих осадков в тундре довольно низкое: 250-300 мм/год. Наибольшее годовое количество осадков (500-550 мм) выпадают в восточной части лесной зоны, которая расположена к востоку от Оби до границы с Красноярским краем, захватывает восточную часть водораздела рек Иртыша и Оби.

Увеличение количества осадков в этом районе связано с наибольшим развитием здесь циклической деятельности. На юге области количество осадков уменьшается до 300 мм и менее, что является следствием ослабления здесь циклической деятельности и повышения температуры.

Из годового количества осадков на холодный период приходится около 20 %. Таким образом, зимний сезон отличается сухостью. Особенно мало зимних осадков выпадает на юге области. В январе среднее месячное количество осадков здесь бывает менее 20 мм. (Табл. 6) (Иваненко А.С. Агроклиматические условия Тюменской области./ А.С. Иванеко А.С. Кулясова А.О. М.- учебное пособие).

Таблица 6 - Среднее многолетнее количество осадков в Тюмени.

ноябрь	декабрь	январь	Февраль	март	Ноябрь-март
1	2	3	1	2	3	1	2	3	1	2	3	1	2	3
Ноябрь - март, мм
13	9	9	10	8	7	7	6	6	6	6	4	4	6	6	107
Апрель-октябрь, мм
апрель	май	июнь	июль	август	сентябрь	октябрь
5	8	10	9	15	14	23	20	20	24	29	31	23	17	18	15	12	10	13	11	13

2.3 Характеристика почвенного покрова

Почвенный покров Тюменского района представлен двумя типами зональных почв - серыми лесными и подзолистыми.

Серые лесные почвы сформировались на карбонатных покровных породах под березовыми лесами с развитым травяным покровом в условиях промывного типа водного режима. В Тюменском районе имеют распространение два подтипа серых лесных почв: серые и темно серые.

Подзолистые почвы формируются под хвойными или смешанными лесами на бескарбонатных или остаточно-карбонатных материнских породах в условиях промывного типа водного режима. В пределах территории формируются два их подтипа: подзолистые и дерново-подзолистые.

2.4 Гидрографическая характеристика

Все реки рассматриваемой территории по характеру уровенного режима относятся к типу рек с весенним половодьем, в общем невысокими растянутым, и повышенным летне-осенним уровнем, вследствие дождевых паводков. Весеннее половодье имеет вид плавной волны продолжительностью до 2-3 месяцев на малых и средних реках и до 3-4 месяцев на более крупных. В отдельные, преимущественно многоводные годы, весеннее половодье сливается с летне-осенним стоком. В период замерзания на некоторых реках происходит резкое снижение уровня воды. В зимний период колебания уровней обычно незначительны, так как реки в это года питаются грунтовыми водами. Весеннее половодье начинается в первой половине апреля. Продолжительность ледостава в среднем около 160 дней. Средняя толщина льда на реках составляет 0,6-1,0 м, в суровые зимы увеличивается до 1,5 м, а в мягкие уменьшается до 0,4-0,6 м. В пределах района у них типично равнинный характер.

Крупных рек мало. В окрестностях Тюмени протекают две крупные реки Тура и ее приток Пышма.

Тура берет начало в горах Среднего Урала, в 4 км к юго-западу от железнодорожной станции Хребет Уральский и в 18 км к северу-западу от г.Кущва, где образуется от слияния нескольких мелких ручьев. Длина Туры 1030 км. На территорию Тюменского района приходится около 260км ее пути. Здесь Тура принимает незначительные притоки: слева речки Ахманку, Капланку, Айгу, справа-Малую и Большую Канырку, Каменку,Антоновку, Пановку, Таловку, Ольховку, Бабарынку, Тюменку, Войновку и самый крупный приток - реку Пышму.

Пышма вытекает из озера Ключи в окрестностях г.Верхняя Пышма (Свердловская обл.) и впадает в Туру километрах в 4 ниже села Созонова. Длина Пышмы 614км, в том числе в пределах Тюменского района 150км.В отличие от Туры Пышма очень извилиста, изобилует перекатами и омутами. Ширина ее от 30 до 100м, глубина от 0,7 до 8м. В русле встречаются отдельные острова и целые группы их. Площадь водосбора Пышмы достигает 19700 кв.км. На Пышме в пределах Свердловской области построены три водохранилища: у пос. Белоярский, г.Сухой Лог и в 8 км ниже Камышлова.

Вблизи Тюмени в Пышму впадают притоки: слева - Кармак, Ушаковка, Дуван, справа - Чаплык, Балда, Бардянка, Цинга, Карга, Боганда, Черная. Они длиннее и многоводнее, чем притоки Туры.

В Тюменском районе немало озер. Плоская поверхность испещрена западинами и ложбинами, заполненными водой. Питание озёр происходит за счёт атмосферных осадков и поверхностных весенних вод, в меньшей степени -грунтовых. Воды по химическому составу различны, но в основном принадлежат к гидрокарбонатно-кальцевому классу. Основную массу составляют озёра водораздельных поверхностей, непроточные, глубиной 2-8 метров, с плоским илистым дном. Мощность отложений илов и сапропелей достигает 0,5-1,5 метров. По происхождению озерной котловины, в основном, озера-старицы, расположенные в поймах рек и образовавшиеся при изменении их русел. Старицы в пойме реки Туры: озера Антоново, Прорва, старица ( у с. Ембаево, Косылбаево, Первое и Второе, Кривое и другие. В пойме Пышмы старицы невелики, но их очень много, и большинство их безымянны.

Болота на территории представлены как низинными, так и верховыми. К низинным относятся Тарманские, Курицынское расположенные в пойме р. Цинги. Верховые болота расположены на водоразделе Туры и Пышмы.

Тюменский район является частью Западно-Сибирского артезианского бассейна. По химическому составу от пресных до сильно минерализованных хлориднонатриево-карбонатные, железисто-бромные. По материалам ТКГРЭ в пределах района разведано одиннадцать месторождений пресных подземных вод: Кулаковское,Труфановское, Мальковское, Антипинское, Винзилинское,Онохинское, Пышминское, Червишевское, Восточное и Западное Тараскульские.

2.5 Характеристика растительного и животного мира

Распределение растений на территории района подчиняется законам зональности. От южной подтайги на севере до лесостепных территорий на юге присутствуют и азональные ландшафты болот и суходольных лугов.

С разнообразием природных зон -- от арктической тундры до лесостепи (включающей и практически степные участки), с наличием вертикальной поясности Уральских гор неразрывно связано видовое богатство флоры и фауны. Этот фактор, а также значительный уровень антропогенной нагрузки обусловили многочисленность видов, подлежащих включению в Красную книгу Тюменской области. Значительная часть из них занесена в Красную книгу Российской Федерации, красные книги автономных округов и сопредельных регионов. «Эксклюзивно» включены в Красную книгу Тюменской области прежде всего степные виды, находящиеся на границе ареала или занимающие весьма ограниченные остепненные участки.

Всего в Красную книгу Тюменской области занесены 711 видов животных, растений, лишайников и грибов, 427 из которых помещены на основные страницы. В большей степени в книге представлены растения (262 вида) и беспозвоночные наземные животные (242). Некоторые группы организмов различного систематического уровня в силу слабой изученности при подготовке списков не рассматривались (моллюски, ракообразные, печеночные мхи, морские и пресноводные водоросли и др.).

Видовой состав животных типичен для названых природных комплексом. Среди животных встречаются лоси, косули, кабаны, волки, лисы, боровые птицы: глухарь, тетерев; много грызунов; земноводных: лягушки, жабы, тритоны; насекомые.

3. ОБЗОР МЕРОПРИЯТИЙ ПО РЕКУЛЬТИВАЦИИ ЗАГРЯЗНЕННОГО УЧАСТКА ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Весь комплекс работ, проводимых для восстановления замазученных земель подразделяется на три основных этапа, конкретное содержание которых указано в технологических картах: подготовительный, технический и биологический.

Общие положения

Под рекультивацией понимается комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и народнохозяйственной ценности нарушенных земель, а также на улучшение условий окружающей среды в соответствии с интересами общества. Нарушенные земли есть земли, утратившие в связи с их нарушением первоначальную хозяйственную ценность и являющиеся источником отрицательного воздействия на окружающую среду.

Загрязнение почв тяжелыми металлами приводит к образованию кислой или щелочной реакции почвенной среды, снижению обменной емкости катионов, потери питательных веществ, к изменению плотности, пористости, отражательной способности, к развитию эрозии, дефляции, к сокращению видового состава растительности, ее угнетению или к полной гибели.

Прежде, чем начать рекультивацию таких земель необходимо установить источник и причины загрязнения, провести мероприятия по снижению выбросов, локализации или ликвидации источника загрязнения. Только при таких условиях может быть достигнута высокая эффективность рекультивационных работ.

Ориентиром для разработки состава работ по рекультивации земель в первую очередь служит приоритетное вещество, вызывающее ухудшение экологического состояния почв и качество сельскохозяйственной продукции, а ожидаемая подвижность других опасных веществ должна регулируется специальными или комплексными мероприятиями.

Земли, загрязненные тяжелыми металлами, органическими веществами или продуктами промышленной переработки, на первом этапе очищают с помощью сорбентов, растений или микроорганизмов (биодеструкторов), а затем включают в хозяйственное использование под наблюдением агрохимических и санитарно - эпидемиологических служб.

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами, осуществляется с использованием следующих способов:

1) Культивирование устойчивых к загрязнению культурных и дикорастущих растений;

2) Рекультивация почв с помощью растений (фиторекультивация), способных накапливать тяжелые металлы в вегетативных органах;

3) Регулирование подвижности тяжелых металлов в почве;

4) Регулирование соотношений химических элементов в почве;

5) Создание рекультивационного слоя, замена или разбавление загрязненного слоя почвы;

6) Использование активных биологических средств.

4. ТЕХНИЧЕСКИЙ ЭТАП

Основной целью технического этапа является создание рекультивационного слоя почвы со свойствами, благоприятными для биологической рекультивации.

Рекомендовано отбирать образцы почв и растительности по радиусу от источника загрязнения с учетом господствующих ветров по маршруту протяженностью 25-30 км.

Расстояние от источника загрязнения для выявления ореола загрязнения может колебаться в значительных пределах и в зависимости от интенсивности загрязнения и силы господствующих ветров может изменяться от сотен метров до десятков километров.

Главным условием, без выполнения которого нельзя переходить к биологическому этапу, является снижение концентрации тяжелых металлов в рекультивационном слое до безопасных для фитомелиорантов значений.

Эффективность проведенных на этом этапе мероприятий оценивается по результатам химических анализов на количественное содержание тяжелых металлов в рекультивационном слое почвы, мощность которого определяется типом почвы и глубиной нахождения тяжелых металлов. При снижении концентрации тяжелых металлов в среднем по всему участку до контрольных значений можно приступать к биологическому этапу рекультивации. Если после однократного проведения агротехнических мероприятий концентрация снизилась недостаточно, необходимо установить причину и повторить или заменить неэффективный прием.

Агротехнические приемы предусматривают различные способы механического воздействия на верхний, наиболее загрязненный горизонт почвенного профиля, с целью снижения концентрации тяжелых металлов до уровня, приемлемого для углеводородокисляющей микрофлоры и растений-мелиорантов.

Фоновое содержание тяжелых металлов в почве обычно невелико, редко превышает 50 мг/кг (каждого в отдельности), т. е. не более 0,005 % массы почвы.

Регулирование подвижности тяжелых металлов в почве. Поглощение тяжелых металлов растениями зависит от содержания их подвижных форм в почве. Существование подвижных форм определяется свойствами и плодородием почв, биогеохимическими процессами, интенсивностью и объемами поступления тяжелых металлов в почву, выносом растениями. Поведение тяжелых металлов в почве и способы управления их содержанием вытекают из теории геохимических барьеров, а рекультивация загрязненных почв сводится к созданию дополнительных барьеров, управлению существующими барьерами или к ослаблению некоторых из них.

Почвы, тяжелые по механическому составу и имеющие высокое плодородие, содержат меньше подвижных форм тяжелых металлов, чем почвы легкие и малопродуктивные. Многие из металлов, относящиеся к первому классу опасности, в нейтральной почвенной среде образуют трудно растворимые соединения, а в кислой - легко растворимые. Кадмий наиболее подвижен в кислой среде и слабо подвижен в нейтральной и щелочной среде. К подвижным в кислой среде относятся химическим соединениям, содержащие катионы Zn,Сu, Pb, Cd, Sr, Mn, Ni, Coи др. К подвижным в нейтральной и щелочной среде - Mo, Cr, As, V, Se.

В равных условиях наименьшей растворимостью обладают фосфаты и сульфиды тяжелых металлов, из карбонатных соединений меньшую растворимость имеют соединенияртути, свинца и кадмия. Гидроксиды тяжелых металлов образуют трудно растворимые формы в слабокислых и нейтральных средах, исключением являются гидроксид Fe (рН = 2,5) и Al (рН = 4,1).

На подвижность оказывают влияние органические вещества с малой молекулярной массой, фульвокислоты и гуминовые кислоты, так количество подвижной меди изменяется от 4,5 мг/кг до 2,0 мг/кг при изменении содержания гумуса в почве от 0,6 до 6,5%. Адсорбция свинца почвой при изменении содержания в ней гумуса от 2,5% до 7,0% возрастает с 5 мкг/кг до 20 мкг/кг.

Внесение в почву жидкого навоза и слабо разложившихся органических веществ повышает подвижность тяжелых металлов за счет образования низкомолекулярных водорастворимых комплексов. Поступление тяжелых металлов в растения по степени их подвижности: кадмий - свинец - цинк - медь.

Для регулирования подвижности соединений тяжелых металлов в почве используют известкование, гипсование, внесение органических и минеральных удобрений, землевание (внесение глины или песка).

При рекультивации земель, загрязненных тяжелыми металлами, значительное внимание уделяется поддержанию и образованию в почве труднорастворимых соединений. Для этого в дополнение к приведенным способам используют искусственные и природные адсорбенты. К природным относятся торф, мох, черноземные почвы, сапропель, бентонитовые и бентонитоподобные глины, глауконитовые пески, клиноптилолиты, опоки, трепелы, диатомиты. Искусственные адсорбенты создаются в результате активации или смешения природных адсорбентов, например, активированный уголь, алюмосиликатные и железо-алюмосиликатные адсорбенты, углеалюмогели, адсорбент «СОРБЭКС», ионообменные смолы, полистирол.

Избирательная способность адсорбентов может быть ориентирована на определенные металлы, например, при использование адсорбента «МЕРКАПТО-8-ТРИАЗИН» кадмий, свинец, ртуть и никель переходят в недоступные для растений соединения (опыт Японии, Франции, Германии и других стран), применение клиноптололита значительно снижает поступление свинца, хрома, кадмия, меди, цинка в растения и т.д..

Создание рекультивационного слоя, замена или разбавление загрязненного слоя почвы может проводиться по многослойной схеме, а также путем нанесения одного слоя почвы на предварительно экранированную или неэкранированную загрязненную поверхность. Разбавление загрязненного слоя проводится землеванием чистой почвы с последующим смешением, разбавление может также проводится с помощью глубокой вспашки, когда верхний загрязненный слой перемешивается с чистым нижним слоем. Применяют снятие загрязненного слоя и его переработку, или снятие загрязненной почвы с последующей очисткой и возвращением обратно, но обычно такие операции проводят на небольших участках, они являются дорогостоящим способом рекультивации.

Для рекультивации больших территорий, включающих селитебные и рекреационные зоны населенных пунктов, сельскохозяйственные угодий, испытывающие длительное загрязнение, можно применить следующую комплексную схему:

- существенное сокращение выбросов предприятиями (технологический барьер);

- строгое дозирование химических средств защиты растений, оптимальное регулирование питательного и кислотного режимов почвы (технологический барьер);

- управление водными миграционными потоками за счет организации поверхностного стока, создания ливневой канализации, дренажных с последующей очисткой стоков (механический барьер).

- усиление сорбционного барьера почвенного слоя, необходимого для существенного уменьшения количества подвижных соединений тяжелых металлов, которые поступают в растения и загрязняют продукцию, в тоже время общее количество металлов в почве может не только не уменьшается, но даже расти за счет уменьшения подвижности.

- дополнительно к этому - минимизация инфильтрационной составляющей водного режима почвенного слоя в условиях полива зеленых насаждений, газонов, огородных, сельскохозяйственных и других культур, т.е. выполнение мероприятий, направленных, с одной стороны, на некоторое ослабление гидрофизического барьера, но с другой - необходимых для закрепления эффекта от усиления сорбционного барьера.

Уменьшение количества подвижных соединений при внесении сорбента фактически ослабляет перераспределение общего содержания металлов по почвенному профилю под действием нисходящих токов влаги и приводит к избыточной аккумуляции металлов в самом верхнем слое. Ослабление гидрофизического барьера путем регулируемой инфильтрации способствует перераспределению металлов, так как происходит разбавление почвенного раствора и одновременное уменьшение трудно растворимых соединений за счет десорбции.

Такое мероприятие можно считать возможным, поскольку при значительном загрязнении почв и грунтовых вод токсичными веществами необходимо создавать инженерно-экологическую постоянно действующую систему управления потоками вещества в компонентах: почва - грунтовые воды. Подобная система обеспечивает рекультивацию загрязненных почв и грунтовых вод, а также служит барьером для поступления техногенных продуктов в реки и другие места разгрузки подземных стоков. Для количественного обоснования этих мероприятий используются математические модели передвижения влаги, а также тяжелых металлов с учетом их сорбции и отбора корнями растений.

Регулирование соотношений химических элементов в почве. В основе этого способа лежит антагонизм и синергизм химических элементов, т.е. когда один элемент препятствует или способствует поступлению другого в растение, например, цинк препятствует поступлению ртути, а избыток фосфора приводит к снижению токсичности цинка, кадмия, свинца и меди, присутствие кальция может создать для одних металлов антагонистические, а для других синергические условия, в плодородной почве цинк и кадмий противостоят закреплению меди и свинца, а в малоплодородной почве процесс может развиваться в обратном направлении.

Выявление уровня токсичности тяжелых металлов непросто. Для почв с разными механическими составами и содержанием органического вещества этот уровень будет неодинаков. В настоящее время сотрудниками институтов гигиены предприняты попытки определить ПДК металлов в почве. В качестве тест-растений рекомендованы ячмень, овес и картофель. Токсичным уровень считался тогда, когда происходит снижение урожайности на 5-10%. Предложены ПДК для ртути - 25 мг/кг, мышьяка - 12-15, кадмия - 20 мг/кг. Установлены некоторые губительные концентрации ряда тяжелых металлов в растениях (г/млн.): свинец - 10, ртуть - 0,04, хром - 2, кадмий - 3, цинк и марганец - 300, медь - 150, кобальт - 5, молибден и никель - 3, ванадий - 2.

Защита почв от загрязнения тяжелыми металлами базируется на совершенствовании производства. Например, на производство 1 т хлора при одной технологии расходуют 45 кг ртути, а при другой - 14-18 кг. В перспективе считают возможным снизить эту величину до 0,1 кг.

Новая стратегия охраны почв от загрязнения тяжелыми металлами заключена также в создании замкнутых технологических систем, в организации безотходных производств.

Отходы химической и машиностроительной промышленности также представляют собой ценное вторичное сырье. Так отходы машиностроительных предприятий являются ценным сырьем для сельского хозяйства из-за фосфора.

В настоящее время поставлена задача обязательной проверки всех возможностей утилизации каждого вида отходов, прежде их захоронения или уничтожения.

При атмосферном загрязнении почв тяжелыми металлами, когда они концентрируются в больших количествах, но в самых верхних сантиметрах почвы, возможно удаление этого слоя почвы и его захоронение.

Известкование почв уменьшает кислотность удобрений и растворимость свинца, кадмия, мышьяка и цинка. Поглощение их растениями резко уменьшается. Кобальт, никель, медь и марганец в нейтральной или слабощелочной среде также не оказывают токсического действия на растения.

Органические удобрения, подобно органическому веществу почв, адсорбируют и удерживают в поглощенном состоянии большинство тяжелых металлов. Внесение органических удобрений в высоких дозах, использование зеленых удобрений, птичьего помета, муки из рисовой соломы снижают содержание кадмия и фтора в растениях, а также токсичность хрома и других тяжелых металлов.

5. БИОЛОГИЧЕСКИЙ ЭТАП

Рекультивация земель, загрязненных тяжелыми металлами, осуществляется с использованием следующих способов:

1) Культивирование устойчивых к загрязнению культурных и дикорастущих растений. На загрязненных землях сельскохозяйственного назначения проводится реорганизация и переориентация сельскохозяйственного производства за счет введения новой структуры растениеводства, обеспечивающей получение качественной продукции. В зонах с чрезвычайной экологической ситуацией, имеющих многоэлементный набор загрязнителей, целесообразно переходить с производства овощей на зерно-кормовые севообороты и развитие животноводства с особым режимом содержания животных, например, со стойловым и кормлением разбавленными кормами или с выгоном на загрязненные и чистые луга.

Переход на другие сельскохозяйственные культуры определяется различной их отзывчивостью на уровень содержания металлов в почве, причем эта отзывчивость у растений проявляется как в зависимости от вида, сорта, так и по распределению металлов в вегетативных и регенеративных органах. Различное накопление тяжелых металлов в растениях вызвано существованием биологических барьеров в системе: почва - корень - стебель (листья) - регенеративный орган. Обычно наибольшее накопление тяжелых металлов наблюдается в вегетативных органах, наименьшее - в регенеративных, например, при содержании в почве 800мг/кг свинца в соломе ржи обнаружено 9 мг/кг, а в зерне - 0,9мг/кг. Отзывчивость растений на отдельные металлы можно проследить на примере кадмия, наиболее чувствительными к избытку кадмия являются соя, салат, шпинат, а устойчивыми - рис, томат, капуста.

С учетом конкретных условий на почвах, загрязненных тяжелыми металлами, можно выращивать следующие устойчивые культуры: зерновые колосовые, злаковые травы, картофель, капусту, томаты, хлопчатник, сахарную свеклу.

2) Рекультивация почв с помощью растений (фиторекультивация), способных накапливать тяжелые металлы в вегетативных органах. Установлено, что дерево за вегетационный период вдоль автомобильной дороги способно накапливать в себе количество свинца, равное его содержанию в 130 кг бензина, поэтому в населенных пунктах с загрязненными районами листовой опад целесообразно собирать и утилизировать. Для очистки почв от цинка, свинца и кадмия необходимо выращивать большой горец, от свинца и хрома - горчицу, от никеля - гречиху и т.д. (табл. 5), при загрязнение радиоактивными изотопами можно использовать вику, горох, люцерну, махорку.

3) Использование активных биологических средств. Оно заключается в культивировании на загрязненных землях живых организмов, способных аккумулировать в себе тяжелые металлы, включая радионуклиды. Один из представителей таких организмов- дождевые черви. Механизм очистки почвы основан на трофической связи дождевых червей и почвенных микроорганизмов. Микроорганизмы переводят тяжелые металлы в ионную форму или сорбируют их поверхностью своего тела. Дождевые черви, пропуская через себя почвенный субстрат, накапливают в себе часть этих металлов, а выработанные ими гуминовые кислоты образуют труднорастворимые соединения. С помощью специальных приманок и создания очагов наиболее благоприятных условий дождевые черви изымаются из почвы.

Загрязненные земли 2-го и 3-го уровней загрязнения, охватывающие большие территории, куда входят селитебные и рекреационные зоны поселений, сельскохозяйственные и лесные угодья, водные объекты, очищают, создавая инженерно- экологические системы.

4) Способ включает высев растений-фитомелиорантов, в качестве которых используют травосмеси, содержащие не менее 60% тетраплоидных сортов райграса и полиплоидные многолетние злаки, такие как тимофеевка луговая и костер безостый. Норма высева составляет 20-24 кг/га. Поддерживают высокий уровень влажности почвы до 65-75% ПВ и повышенный питательный режим путем проведения удобрительных поливов. Уборку травостоя проводят при влажности почвы не менее 65% ПВ. Способ позволяет получать кормовую продукцию высокого зоотехнического качества, нормативно чистую по содержанию тяжелых металлов на загрязненных сельскохозяйственных землях. 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области сельского хозяйства и может найти применение при возделывании сельскохозяйственных культур на землях, содержащих тяжелые металлы в количестве, превышающем предельно допустимые концентрации (ПДК).

Известен способ очистки и рекультивации сельскохозяйственных земель, загрязненных тяжелыми металлами, включающий внесение в загрязненный почвенный слой сорбционного агента (монтмориллонита) в количестве 2 т/га, с последующим перемешиванием (Пат. РФ №2210438, МКИ В09С 1/00, БИ №23, 2003 г.).

Этот способ требует значительных затрат на приобретение и внесение сорбционного агента.

Известен способ защиты почв от загрязнения тяжелыми металлами, включающий высев на этих землях растений-фитомелиорантов, способных выносить и накапливать в своей надземной биомассе определенные тяжелые металлы (Пат. РФ №2268096, МКИ В09С 1/00, БИ №02, 2006 г.).

Этот способ принят в качестве прототипа. Высев растений-фитомелиорантов позволяет в течение нескольких лет снизить содержание тяжелых металлов до уровня ПДК. Скошенная биомасса может быть использована при утилизации для выделения извлеченных из почвы тяжелых металлов.

Недостатком этого способа является вывод земель из сельскохозяйственного пользования на весь период проведения работ по извлечению из почвы металлов-загрязнителей. Кроме того, этот способ эффективен только в случае отсутствия возобновляемого загрязнения почвы. В большинстве же случаев возобновление загрязнения неизбежно, так как его источником являются действующие промышленные предприятия, транспорт и т.п.

Целью предлагаемого изобретения является использование сельскохозяйственных земель со средней степенью загрязнения тяжелыми металлами (до 5 ПДК) с получением нормативно чистой сельскохозяйственной продукции.

Достичь поставленной цели позволяет способ использования сельскохозяйственных земель, загрязненных тяжелыми металлами, включающий высев растений-фитомелиорантов, в котором согласно изобретению в качестве фитомелиорантов используют травосмеси, содержащие не менее 60% тетраплоидных сортов рейграса и полиплоидные многолетние злаки, например тимофеевку луговую, костер безостый, при норме высева 20-24 кг/га, при этом в посевах поддерживают высокий уровень влажности почвы до 65-75% ПВ и повышенный питательный режим путем проведения удобрительных поливов, а уборку травостоя производят при влажности почвы не менее 65% ПВ.

Сущность способа заключается в том, что полиплоидные растения, особенно в составе травосмеси, обладают высокой жизнестойкостью в неблагоприятных почвенных и климатических условиях и, обладая высоким буферным барьером, на загрязненных тяжелыми металлами почвах способны частично аккумулировать и фиксировать загрязняющие металлы в корнях, вынося в надземную часть (зеленую массу) только малую их долю. Из них тетраплоидный райграс обладает наиболее мощной надземной частью, поэтому в травосмеси его должно быть не менее 60%. Предлагаемый способ использования сельскохозяйственных земель, загрязненных тяжелыми металлами, для выращивания полиплоидных растений позволяет получать большие объемы зеленой массы на корм скоту с содержанием тяжелых металлов, не превышающим ПДК, на «хронически» загрязняемых тяжелыми металлами сельскохозяйственных землях.

Предложенный способ использования сельскохозяйственных земель, загрязненных тяжелыми металлами, осуществляют в следующем порядке.

На участке, содержащем не более 5 ПДК цинка, меди и свинца, производят предпосевную обработку почвы, включающую вспашку с внесением основного удобрения в виде органоминеральной смеси, содержащей до 50% расчетной нормы удобрения, содержащей: N - 175-350, Р - 90-180, K - 225-450. Конкретная норма внесения удобрений уточняется с учетом фактического содержания элементов питания в почве. По хорошо разделанной пашне осуществляют сев многолетней травяной смеси, включающей семена полиплоидных сортов тимофеевки луговой, костра безостого и более 60% тетраплоидных сортов райграса. Норма высева составляет 20-24 кг/га при одновременном рядковом внесении минеральных удобрений N - 20, Р - 20, К - 20. Повышенная норма высева позволяет обеспечить дружные всходы и плотный травостой с хорошо развитой корневой системой. Корневая система обеспечивает поглощение и фиксацию загрязняющих металлов. При этом плотная дернина препятствует росту сорной растительности, высокое содержание которой в биомассе поля может привести к повышению содержания в ней тяжелых металлов.

После появления всходов на посевах ведут контроль влажности пахотного слоя почвы. При его снижении до 75% ПВ производят полив дождеванием. Вместе с оросительной водой проводят внесение воднорастворимых форм минеральных удобрений. Поддержание высокого уровня влажности почвы требует проведения частых поливов, сочетание которых с внесением удобрений позволяет повысить коэффициент использования удобрений благодаря поступлению их не только через корневую систему, но и через листовую поверхность. Подкормки прекращают за неделю до уборки или стравливания животным надземной массы растений.

Следует отметить, что райграс тетраплоидный предъявляет повышенные требования к обеспечению влагой. При недостаточной влажности почвы он резко снижает урожайность, что может привести к значительному повышению содержания в биомассе тяжелых металлов-загрязнителей. Поэтому на загрязненном участке влажность почвы в период вегетации не должна опускаться ниже 75-65% ПВ.

Корневая система полиплоидных растений способна удерживать в связанном состоянии тяжелые металлы, поглощенные из почвы. Органические вещества, образующиеся при разложении корневой массы травосмеси, также связывают находящиеся в ней тяжелые металлы, переводя их в недоступные для растений формы.

В надземной части райграса благодаря ее большой массе и высокой обводненности содержание тяжелых металлов не превышает величину ПДК. При использовании земель в качестве сенокосов уборку травостоя производят при наступлении колошения у 80% растений, в этот период травостой имеет наибольшую величину биомассы. При этом не следует допускать понижения влажности почвы менее 65% ПВ, чтобы избежать пыления при уборке и попадания на скошенную биомассу загрязненной почвы.

Экспериментально установлено, что на участках, где содержание цинка, свинца и меди составляет около 5 ПДК в растительной массе райграса тетраплоидных сортов, выращенного по предлагаемой технологии, их содержание в кормах не превышает величины ПДК. При этом содержание металлов в корнях растений в сотни раз превышает содержание их как в надземной массе, так и почве, что указывает на активное накопление и связывание этих металлов корневой массой райграса тетраплоидного. Результаты исследований представлены в таблице.

Следует отметить, что некоторое превышение содержания в надземной биомассе растения цинка может играть положительную роль, так как ионы цинка являются антагонистами кадмия и препятствуют его накоплению в растениях.

Вынос тяжелых металлов растениями райграса тетраплоидного при содержании их в почве до 5 ПДК.

Таким образом, предлагаемый способ использования сельскохозяйственных земель, загрязненных тяжелыми металлами, позволяет на землях со средним уровнем загрязнения (до 5 ПДК) выращивать травосмеси тетраплоидного райграса и других полиплоидных злаковых трав и использовать «хронически» загрязняемые сельскохозяйственные земли для получения нормативно чистой по содержанию тяжелых металлов кормовой продукции высокого зоотехнического качества.

Способ использования сельскохозяйственных земель, загрязненных тяжелыми металлами, включающий высев на этих землях растений-фитомелиорантов, отличающийся тем, что в качестве фитомелиорантов используют травосмеси, содержащие не менее 60% тетраплоидных сортов райграса и полиплоидные многолетние злаки, например, тимофеевку луговую, костер безостый, при норме высева 20-24 кг/га, при этом в посевах поддерживают высокий уровень влажности почвы до 65-75% ПВ и повышенный питательный режим путем проведения удобрительных поливов, а уборку травостоя производят при влажности почвы не менее 65% ПВ.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выявление загрязнения почв тяжелыми металлами производят прямыми методами отбора почвенных проб на изучаемых территориях и их химического анализа на содержание тяжелых металлов. Эффективно также использовать для этих целей ряд косвенных методов: визуальная оценка состояния фитогенезов, анализ распространения и поведения видов - индикаторов среди растений, беспозвоночных и микроорганизмов.

Для выявления пространственных закономерностей проявления загрязнения почв используют сравнительно-географический метод, методы картирования структурных компонентов биогеоценозов, в том числе и почв. Такие карты не только регистрируют уровень загрязнения почв тяжелыми металлами и соответствующие изменения в напочвенном покрове, но позволяют прогнозировать изменение состояния природной среды.

Загрязнение почв тяжелыми металлами имеет разные источники:

1. Отходы металлообрабатывающей промышленности;

2. Промышленные выбросы;

3. Продукты сгорания топлива;

4. Автомобильные выхлопы отработанных газов;

5. Средства химизации сельского хозяйства.

Металлургические предприятия ежегодно выбрасывают на поверхность земли более 150 тыс. тонн меди, 120 тыс. тонн цинка, около 90 тыс. тонн свинца, 12 тыс. тонн никеля, 1,5 тыс. тонн молибдена, около 800 тонн кобальта и около 30 тонн ртути. На 1 грамм черновой меди отходы медеплавильной промышленности содержат 2,09 тонн пыли, в составе которой содержится до 15% меди, 60% окиси железа и по 4% мышьяка, ртути, цинка и свинца. Отходы машиностроительных и химических производств содержат до 1 тыс. мг/кг свинца, до 3 тыс. мг/кг меди, до 10 тыс. мг/кг хрома и железа, до 100 г/кг фосфора и до 10 г/кг марганца и никеля. В Силезии вокруг цинковых заводов громоздятся отвалы с содержанием цинка от 2 до 12% и свинца от 0,5 до 3%, а в США эксплуатируют руды с содержанием цинка 1,8%.

С выхлопными газами на поверхность почв попадает более 250 тыс. тонн свинца в год; это главный загрязнитель почв свинцом.

Тяжелые металлы попадают в почву вместе с удобрениями, в состав которых они входят как примесь, а также и с биоцидами.

К факторам, способствующим удержанию тяжелых металлов почвой относятся: обменная адсорбция поверхности глин и гумуса, формирование комплексных соединений с гумусом, адсорбция поверхностна и окклюзирование (растворяющие или поглощающие способности газов расплавленными или твердыми металлами) гидратированными окислами алюминия, железа, марганца и т.д., а также формирование нерастворимых соединений, особенно при восстановлении.



Законодательно-нормативные природоохранные акты

1. Основные положения о рекультивации земель, снятии, сохранении и рациональном природопользовании плодородного слоя почвы, 1995г.

2. ГОСТ 17.5.1.01-83 (2002) Рекультивация земель. Термины и определения.

3. ГОСТ 17.5.3.04-83 (1986) Общие требования к рекультивации земель.

4. ГОСТ 17.5.3.05-847 (2002) Рекультивация земель. Общие требования к землеванию.

5. ГОСТ 17.5.1.02-85 Классификация нарушенных земель для рекультивации.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Агроклиматический справочник по Тюменской области. - 1998.

2. Иваненко А.С. Агроклиматические условия Тюменской области./ А.С. Иваненко, А.О. Кулясова/ М. : Холдинг - 2007- 384с.

3. Игловиков А.В. Рекультивация и охрана нарушенных земель / А.В. Игловиков / Тюмень- 2013- 82 с.

4. Каретин Л.Н. Почвы Тюменской области / Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние - 1990.

5. Экология Тюмень: Софт-Дизайн- 1997. - 345 с.

6. Источник информации по рекультивации земель : http://ecodelo.org/

7. Основы природообустройства - Технический этап рекультивации : http://www.mylect.ru/ecology

Размещено на Allbest.ru