СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК A01B79/02 

Изобретение относится к горнодобывающей и перерабатывающей промышленности и может быть использовано для восстановления нарушенных земель в строительной, энергетической отраслях промышленности.

Известен способ рекультивации земель, нарушенных при добыче полезных ископаемых открытым способом, путем создания почвенного профиля укладкой в отвалы вскрышных потенциально плодородных пород лесса, глины и песка слоем мощностью не менее 2 м. На образованную поверхность наносят гумусированный слой почвы мощностью 50 см.

Недостатком известного способа является извлечение больших объемов почвы для создания плодородного слоя, что ведет к образованию нарушенных земель, росту трудозатрат, значительному увеличению стоимости рекультивационных работ.

Другой известный способ биологической рекультивации заключается в том, что перед нанесением гумусированного слоя, слой потенциально плодородных пород рыхлят на глубину вспашки и дополнительно вносят фосфогипс и навоз.

Недостатки данного способа - трудоемкость организации технических и биологических работ, возможность загрязнения грунтовых вод и водоемов.

Известен способ борьбы с овражной эрозией с использованием латекса и посевом многолетних трав в смеси с минеральными удобрениями.

Недостатки способа - техническая сложность осуществления, большие объемы земельных работ в том числе дополнительное возникновение нарушенных земель.

При описанной последовательности операций затруднительно получить сплошной растительный покров с хорошими противоэрозионными свойствами, так как посев семян многолетних трав после покрытия гребней и откосов латексом ведет к резкому снижению всхожести семян, находящихся на поверхности, незащищенных слоем субстрата. Ограничена возможность укоренения семян в экстремальных гидротермических условиях.

В качестве прототипа принят способ закрепления пылящей поверхности хвостохранилищ связующим составом и посев многолетних трав с уплотнением. В качестве связующего состава используют водный раствор сульфатного мыла.

Недостатки способа - незначительная долговременность покрытия и низкая биологическая продуктивность травостоя. Озимая рожь, выбранная в качестве покровной культуры, создает условия конкуренции с многолетними травами. Низкая биологическая продуктивность травостоя при отсутствии минеральных удобрений не создает необходимого агрофона для развития почвообразовательных процессов при восстановлении нарушенных земель.

Предлагаемый способ позволяет восстанавливать растительный покров на техногенно-нарушенных землях без нанесения плодородного слоя. Принципиально новая схема биологической рекультивации заключается в использовании полимерных материалов для создания защитных покрытий, устойчивых против водной и ветровой эрозии, происходит повышение биологической продуктивности травостоя при восстановлении нарушенных земель за счет увеличения долговременности покрытия, защиты корнеобитаемого слоя от антропогенных факторов и активизации почвообразовательных процессов. Заявляемый способ восстановления нарушенных земель обладает преимуществами перед прототипом, приведенными в табл. 1.

На основании проведенных исследований и эксплуатационного опыта в разных климатических зонах были разработаны агротехнические приемы выращивания трав при восстановлении растительного покрова нарушенных площадей.

Посев семян, внесение удобрений и прикатывание производят обычной сельскохозяйственной техникой. Минеральные удобрения вносят одновременно с посевом многолетних трав в норме N₁₀₀, P₁₀₀, K₁₀₀. Многолетние травы высевают в норме 3-5 г/м². Норма высева покровной культуры составляет для овса 6-9 г/м², бобовых 4-7 г/м². Создание защитного полимерного покрытия осуществляют нанесением на прикатанные после посева площади 3-7%-ных водных эмульсий латекса с расходом рабочих растворов 1,5-3,0 л/м² с помощью известных технических средств (поливальные машины, гидромониторы).

Изучение условий роста и развития трав и степени окультуренности нарушенных земель с растительным покровом, восстановленным данным методом, показало, что латексное покрытие способствует росту и развитию растений за счет повышения запаса влаги и стабилизации гидротермического режима в корнеобитаемом слое субстрата, что особенно важно в начале вегетационного периода. Так, амплитуда колебания экстремальных температур в течение вегетационного периода под латексным покрытием уменьшается на 1,5-3,6^оС. Влажность корнеобитаемого слоя увеличивается на 30-50%.

Полимерное покрытие нерастворимо в воде. В результате взаимодействия латексов с субстратом образуется водопрочная макроструктура. Устойчиво к перепаду сезонных (от -40^оС до +38^оС) и суточных (от -10^оС до +20^оС) температур, сохраняет фильтрационные свойства субстрата, нетоксично, биоразлагаемо. Защищает корнеобитаемый слой от антропогенных факторов, устойчиво к агрессивным средам.

Высокая водопрочность, вместе с тем высокая пористость покрытия, а точнее верхнего 1-2 см слоя субстрата, обработанного водными полимерными композициями, создают благоприятные условия для впитывания и фильтрации воды, а также для биофизических процессов в почве - аэрации и газообмена между почвенным и атмосферным воздухом. Все это способствует не только образованию дернины, но и формированию высоких урожаев трав. Полимерное покрытие на основе латексов и латексных композиций является долговременным покрытием, благодаря своей эластичности и способности к деформации без разрыва, сохраняет высокую противоэрозионную стойкость в течение нескольких лет (в условиях Севера - 5 лет и более).

В результате анализа данных микробиологических исследований (табл. 2) можно сделать вывод, что полимерное покрытие создает благоприятные условия для активизации микробиологических процессов, а следовательно и для процессов почвообразования. Сравнение двух схем рекультивации, одна из которых - рассматриваемый метод с посевом трав под полимерным покрытием, другая - традиционная биологическая рекультивация с посевом трав на торфе спустя 6 лет после закладки полигонов, показало, что по степени окультуренности площади с посевом трав под полимерным покрытием не уступают площадям, рекультивируемым традиционным методом.

В предлагаемом варианте численность большинства основных физиологических групп микроорганизмов больше по сравнению с традиционным методом. Усилились процессы минерализации, о чем свидетельствует увеличение микроорганизмов на крахмалоаммиачном агаре (КАА). Активизировались процессы разложения органического вещества, в 60 раз повысилось количество целлюлозоразлагающих микроорганизмов на среде Гетчинсона.

Стабилизация гидротермического режима, улучшение аэрации, структуры почвы, а также корневые выделения вновь созданного растительного покрова способствуют увеличению численности микроорганизмов. Увеличение численности микрофлоры способствует мобилизации потенциального плодородия субстрата, накоплению органического вещества и элементов питания в доступной для растений форме.

Усиливаются процессы деструкции загрязняющих веществ до безвредных соединений. Таким образом, предлагаемый способ восстановления растительного покрова нарушенных земель обеспечивает возможность осуществления процесса рекультивации созданием условий для ускоренного накопления элементов плодородия в нарушенном субстрате.

Новизна способа заключается в использовании нового вещества - концентратов латексных стоков, нормах расхода и концентраций водных эмульсий латексов, изменении последовательности операций (посев семян, прикатывание и обработка водной эмульсией латекса) изменение способа посева многолетних трав чередованием рядков с покровной культурой, использовании в качестве покровной культуры бобово-злаковой смеси, а также проведении подзимнего посева семян многолетних трав.

Использование в качестве реагента концентратов латексных стоков (КЛС) позволяет значительно снизить затраты на материалы и, следовательно, себестоимость работ по восстановлению растительного покрова нарушенных земель.

Предлагаемые нормы расхода обеспечивают создание равномерного, прочного, эластичного покрытия, сохраняющего свои свойства в течение длительного времени. Увеличение концентрации и нормы расхода латексов ведет к неоправданному удорожанию способа. Кроме того, при нанесении латексов происходит их частичная коагуляция, что значительно снижает эффективность способа.

Предложенная агротехника позволяет получить сплошной растительный покров, устойчивый к ветровой, водной и термоэрозии почв в первые годы после осуществления способа и использовать нарушенные земли в последующие годы в народном хозяйстве.

Возможности способа - высокая эффективность, технологичность и экономичность позволяют найти ему широкое применение.

П р и м е р 1. Нарушенные земли, подлежащие восстановлению, засевают многолетними травами и покровной культурой с одновременным внесением минеральных удобрений и прикатывают. Норма высева многолетних трав составляет 40 кг/га, а покровной культуры - 160 кг/га. Норма внесения удобрений составляет N₁₀₀P₁₀₀K₁₀₀ действующего вещества на 1 га. Внесение удобрений, посев и прикатывание производят серийной сельскохозяйственной техникой. После прикатывания на засеянную площадь наносят водную латексную эмульсию 5%-ной концентрации из расчета 1,5 л/м². Нанесение реагента производят серийной поливальной техникой, например УМП-1 на базе БеЛАЗ 548А. Через 10-15 дней фиксируют появление всходов. Прочность на продавливание при данном технологическом режиме составляет > 18 кг/см². Долговременность покрытия - 5 лет.

П р и м е р 2. Восстановление нарушенных земель осуществляют по примеру 1. Отличие состоит в том, что водную латексную эмульсию готовят 2%-ной концентрации и наносят из расчета 1 л на 1 м². Прочностные характеристики при этом снижаются. Прочность на продавливание составляет 2 кг/см². Покрытие отличается неравномерностью, данного количества реагента недостаточно для образования сплошного покрытия. Долговременность покрытия вследствие этого значительно меньше.

П р и м е р 3. Восстановление нарушенных площадей осуществляют по примеру 1. Отличие состоит в том, что водную латексную эмульсию готовят 9%-ной концентрации и наносят 3,5 л на 1 м². Прочность на продавливание остается на прежнем уровне (>18 кг/см²), расход реагента при этом значительно повышается, что экономически нецелесообразно. Таким образом, технологический режим для создания сплошного полимерного покрытия, обладающего хорошими прочностными характеристиками, лежит в интервале 3-7% при расходе 1,5-3,0 л/м². Увеличение концентрации и расхода реагента приводит к неоправданному удорожанию метода, а снижение параметров ниже указанных - к ухудшению свойств покрытия.

П р и м е р 4. Восстановление растительного покрова нарушенных земель в импактной зоне комбината "Североникель" в условиях жесткой антропогенной нагрузки осуществляют по примеру 1. Для создания защитного полимерного покрытия используют 5% -ную водную эмульсию латекса с расходом 1,5 л/м². Содержание тяжелых металлов в корнеобитаемом слое составляет: Ni 43 мг/100г почвы, Cu 24 мг/100г почвы. Урожайность зеленой массы многолетних трав составляет 86,5 ц/га.

П р и м е р 5. Восстановление растительного покрова нарушенных земель, осуществляют по примеру 4. Отличие состоит в том, что засеянные площади не покрывают водной полимерной эмульсией. Содержание тяжелых металлов в корнеобитаемом слое составляет: Ni 177 мг/100г почвы, Cu 56 мг/100 г почвы. Урожайность зеленой массы многолетних трав на участке без защитного латексного покрытия составляет 49 ц/га. Таким образом, биологическая продуктивность травостоя на участке с полимерным покрытием в 1,8 раза выше в результате защиты корнеобитаемого слоя от антропогенных факторов по сравнению с участком без покрытия.

П р и м е р 6. Восстановление растительного покрова нарушенных земель осуществляют по примеру 1. Отличие состоит в том, что при посеве рядки с многолетними травами и покровной культурой чередуют. Урожайность биомассы многолетних трав на второй год жизни составляет при посеве с чередованием рядков многолетних трав и покровной культуры - 144 ц/га, а при посеве сплошным рядовым способом - 121 ц/га. Таким образом, условия произрастания многолетних трав в первый год жизни при чередовании рядков с покровной культурой лучше за счет большей освещенности всходов и отсутствия конкуренции с покровной культурой. Способ чередования рядков позволяет увеличить биологическую продуктивность многолетних трав во второй год жизни на 15-20% по сравнению со сплошным рядовым способом сева.

П р и м е р 7. Восстановление растительного покрова осуществляют по примеру 6. Отличие состоит в том, что норма высева покровной культуры составляет 8,5 г/м² - овса, 6,5 г/м² - бобовых. Урожайность зеленой массы в первый год составляет 143 ц/га.

П р и м е р 8. Восстановление растительного покрова на нарушенных землях осуществляют по примеру 7. Норма высева покровной культуры составляет: овса - 5,5 г/м², бобовых - 3,5 г/м². Урожайность зеленой массы в первый год при такой норме высева покровной культуры составляет 93 ц/га.

П р и м е р 9. Восстановление растительного покрова осуществляют по примеру 8. Норма высева покровной культуры составляет: овса - 9,5 г/м², бобовых - 7,5 г/м². Урожайность зеленой массы в первый год составляет 146 ц/га. Количество растительного опада в первый год восстановления растительного покрова определяет интенсивность процессов разложения и минерализации органического вещества, влияющих на скорость гумусонакопления, что сказывается на количестве биомассы многолетних трав в последующие годы. Снижение нормы высева покровной культуры приводит к уменьшению биомассы в первый год, что отражается на урожайности многолетних трав в последующие годы. Уменьшение количества бобовых в покровной культуре снижает урожайность многолетних трав в последующие годы, т. к. отсутствие бобового компонента влияет на состав растительного опада, снижает обеспеченность субстрата азотом. Увеличение нормы высева покровной культуры экономически нецелесообразно. Таким образом, норма высева покровной культуры при посеве с чередованием рядков многолетних трав и покровной культуры составляет 6-9 г/м² - овса, 4-7 г/м² - бобовых.

П р и м е р 10. Восстановление нарушенных земель осуществляют по примеру 1. Отличие состоит в том, что посев многолетних трав производят под зиму. Покровную культуру при этом не высевают. Норма высева многолетних трав составляет 50 кг/га. Посевы многолетних трав при подзимнем севе дают более ранние всходы (на 10-12 дней раньше, чем при весеннем посеве) и хорошо развиваются. Полевая всхожесть на 6-10% выше при подзимнем посеве трав. Высота травостоя через 30 дней после появления всходов при подзимнем севе на 8-10 см выше, чем при весеннем севе.

П р и м е р 11. Восстановление нарушенных площадей осуществляют по примеру 1. Отличие состоит в том, что водную эмульсию полимера готовят не из латексов, а из отходов латексного производства пленкообразующих латексов - концентрированных латексных стоков (КЛС). Защитное полимерное покрытие, полученное на основе КЛС по прочности и долговременности не уступает латексному покрытию. Использование КЛС удешевляет метод и снижает объемы сбрасываемых отходов производства латексов.

Данная разработка доведена до проектного решения, имеет семилетний опыт эксплуатации на ПО "Апатит" Ассоциации "Агрохим" - для залужения хвостохранилищ. Регламенты на технологические процессы восстановления нарушенных земель включены в проект по обустройству газовых месторождений на Ямале (Тюменская область), где восстановление почвенно-растительного покрова является принципиальным вопросом при интенсивном развитии термоэрозионных процессов. Разработанная технология легла в основу "Комплексной программы по пылеподавлению в 30-километровой зоне ЧАЭС" с целью снижения радиоактивного пылепереноса при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Использование: в горнодобывающей промышленности и сельском хозяйстве, в частности в способах восстановления земель, нарушенных в результате разработки полезных ископаемых. Сущность изобретения: способ предусматривает на участке, подлежащем восстановлению, высевание семян многолетних трав с покровной культурой при одновременном внесении минеральных удобрений. Посевы прикатывают и обрабатывают 3 - 7%-ной водной эмульсией латекса в количестве 1,5-3,0 л/м². Образуется мощный растительный покров. Многолетние травы и покровную культуру высевают рядовым способом с чередованием рядков. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НАРУШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ, включающий обработку почвы связующим составом, посев многолетних трав и уплотнение поверхности почвы, отличающийся тем, что в качестве связующего используют 3-7%-ную водную эмульсию латекса в количестве 1,5-3,0 л/м², а многолетние травы высевают в чистом виде или совместно с покровной культурой, одновременно с посевом вносят минеральные удобрения, причем обработку водной эмульсией латекса осуществляют после посева и уплотнения поверхности почвы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что многолетние травы и покровную культуру высевают сплошным рядовым способом. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что многолетние травы и покровную культуру высевают рядовым способом с чередованием рядов. 4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве покровной культуры используют бобово-злаковую смесь при норме высева бобовых 4-7 г/м² и овса 6-9 г/м². 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обработки используют концентрат латексных стоков производства пленкообразующих латексов.